Point-of-Load-Wandler Systems-on-Chips für Power

Mithilfe von integriertem IP wie einem Prozessor, schnellen Transceivern und Speicher-Controllern lässt sich ein ganzes System auf einen einzigen FPGA reduzieren. Für den Entwickler der Stromversorgung ist es jedoch eine große Herausforderung, den zuverlässigen Betrieb des FPGAs zu gewährleisten.

Als Herz eines Systems muss ein FPGA oft mit zahlreichen anderen Komponenten kommunizieren, beispielsweise über verschiedene parallele oder serielle I/O-Standards, die bei verschiedenen Spannungen betrieben werden können. Dazu sind mehrere Versorgungsspannungen mit teilweise sehr unterschiedlichen Anforderungen nötig (Bild 1). Zuallererst der Rechenkern, der in Highend-Anwendungen Stromspitzen bis in den zweistelligen Amperebereich benötigt. Dann die Transceiver und PLLs (Phase Locked Loops), die sehr störungsempfindlich sind, sowie die Hilfsversorgung. Danach müssen verschiedene I/O-Standards unterstützt werden, zum Beispiel 1,5 V für DDR3-Speicher oder 1,8 V beziehungsweise 2,5 V für Kommunikationsschnittstellen, und eventuell noch 3,3 V für »ältere« Bausteine. Eine einfach zu realisierende, aber doch effiziente Stromversorgungslösung ist daher entscheidend.

Da die Prozesstechnik immer kleinere Halbleiterstrukturen ermöglicht, wird eine genaue und zuverlässige Stromversorgung immer wichtiger. So darf etwa bei einem in einem 28-nm-Prozess gefertigten »Cyclone V«-FPGA von Altera die Versorgungsspannung von 1,1 V maximal um ±30 mV schwanken, damit der Rechenkern sicher und zuverlässig arbeitet. Dies fordert eine maximale Toleranz des DC/DC-
Wandlers von ±2% über den gesamten Last-, Versorgungsspannungs- und Temperaturbereich der Anwendung. Entwickler müssen daher auf hochgenaue Stromversorgungen zurückgreifen, die diesen Anforderungen gerecht werden.

Besonderes Augenmerk ist auch darauf zu legen, dass die Stromversorgung die bei FPGAs und digitalen Schaltkreisen erheblichen und schnellen Lastsprünge unterstützen kann. Deshalb sollte die Spannungsversorgung über eine hohe Regelbandbreite verfügen, um Schwankungen der Versorgungsspannung abzufangen und die Anzahl und Größe der benötigten Stützkondensatoren zu minimieren, die der FPGA-Anbieter empfiehlt, um die benötigte dynamische Genauigkeit der Spannungsregelung zu gewährleisten. Weniger Stützkondensatoren bedeuten auch, dass die gesamte Lösung kleiner wird und wertvollen Platz auf der Platine und damit Kosten einspart.

Störfestigkeit ist ein weiterer wichtiger Aspekt. Für Transceiver und PLLs ist es entscheidend, eine sehr saubere Spannungsversorgung zu haben, um Jitter im System zu vermeiden. In der Vergangenheit tendierte man daher in diesem Fall zu linear geregelten LDOs (Low Drop-out). Dies widerspricht jedoch der permanenten Forderung nach niedrigeren Gesamtverlusten, zumal die Zahl der benötigten Transceiver weiter stetig ansteigt. Hier kann der Einsatz eines vergleichsweise störarmen DC/DC-Schaltwandlers zur Versorgung der Transceiver und PLLs deutliche Vorteile bringen.