System-Level-Design FPGAs gut versorgen

Die Vielzahl von Verbrauchern in modernen FPGAs macht das Design der Stromversorgungen für diese Bauelemente entsprechend komplex. Es reicht nicht aus, einfach die erforderliche Spannung und Stromstärke bereitzustellen, denn jeder Verbraucher kann individuelle Anforderungen in Bezug auf die Spannungswelligkeit, das Ausfiltern von Störungen, die Trennung der Versorgungsspannungen und die Softstart-Eigenschaften stellen. Entwickler müssen häufig Kompromisse eingehen; bei der Abwägung helfen spezialisierte Tools.

Der große Strombedarf der Verbraucher erfordert häufig den Einsatz von DC/DC-Schaltreglern, wobei auch hier die Störungen und die Spannungswelligkeit unter Kontrolle zu halten sind. Zudem kann die Stromversorgungsarchitektur so angelegt sein, dass zwischen der Eingangsspannung und den Point-of-Load-Reglern (PoL) eine oder mehrere Zwischenspannungen eingefügt werden.

Die Entscheidung für eine derartige Lösung wiederum kann Rückwirkungen auf den Wirkungsgrad, die Grundfläche und die Kosten des gesamten Stromversorgungsdesigns haben. Abgesehen davon lassen sich die einzelnen Stromversorgungen optimieren, um die übergeordneten Designvorgaben umzusetzen. Bei der Evaluierung verschiedener Ansätze kann beispielsweise das Online-Designtool »Webench FPGA Power Architect« von National Semiconductor nützlich sein.

Zu Beginn eines Designs ist festzustellen, welche Anforderungen das jeweilige FPGA an die Stromversorgung stellt. Unter Umständen ist diese Aufgabe alles andere als einfach, weil die entsprechenden Daten einer großen Zahl von Datenblättern und anderen Dokumenten zu entnehmen sind. In Tabelle 1 sind wichtige Stromversorgungsspezifikationen von FPGAs zusammengefasst.

Spezifikation
Informationsquelle
Eigenschaften
Lösungen
Strom
Power Estimation, Spreadsheets, Power Simulator
Abmessungen, Wirkungsgrad, Wärmeentwicklung und Kosten des Netzteils
Festlegung der Schaltfrequenz, Optimierung der Bauelemente
Spannung
FPGA-Datenblatt, Pinout-Beschreibung
Werte und Toleranzen der Bauelemente, DC-Welligkeit, AC-Transienten, Über- und Unterschwingen
Eng tolerierte Bauelemente, Ausgangskondensatoren mit niedrigem ESR, kritisch gedämpfte Regelschleife, Systemsimulation
Störungen
FPGA-Datenblatt, Anmerkungen und Fußnoten
Schaltstörungen, Kreuzregelung zwischen den Verbrauchern
Schaltentlastungsnetzwerke, Störfilter, separate Stromversorgungen
Sequencing, Anlauf-Eigenschaften
FPGA-Datenblatt, Anmerkungen und Fußnoten
Latch-up-Effekte, Einschaltstrom
Softstart, Sequencing-IC
Tabelle 1: Übersicht über wichtige Stromversorgungs-Spezifikationen von FPGAs

Um den Strombedarf eines jeden Verbrauchers zu bestimmen, stellen die meisten FPGA-Hersteller so genannte »Power Estimation Spreadsheets« zur Verfügung, mit denen sich Leistungsaufnahme und Lastströme - abhängig von den im FPGA genutzten Ressourcen - berechnen lassen. Darüber hinaus kann man die ausgefeilteren Simulatoren der FPGA-Hersteller nutzen. Zu den auf diese Weise abgeschätzten Lastströmen sollte allerdings sicherheitshalber ein Zuschlag von circa 25% hinzugerechnet werden.

Als weitere Vorgabe kommt die Spannungsspezifikation der Verbraucher hinzu, die sich zunächst auf die Angabe der Mindest- und Höchstspannung im Datenblatt des FPGA beschränken kann. Für das Design der Stromversorgung ist jedoch eine ganze Reihe weiterer Faktoren relevant, wie etwa Offsets infolge des Feedback-Widerstandsnetzwerks in der Stromversorgung, Widerstandstoleranzen und die Toleranz der Feedback-Referenz im Regler.

Zu berücksichtigen ist außerdem die Welligkeit des Schaltreglers, wobei es wichtig ist, zwischen der statischen beziehungsweise DC-Welligkeit und kurzzeitigem Unter- und Überschwingen zu unterscheiden. Darüber hinaus können Schaltstörungen von hoher Frequenz (10 MHz oder mehr) vorliegen.

Bild 1 zeigt einen von Webench FPGA Power Architect simulierten Lastsprung. Erkennbar sind ein Offset auf Vout, die statische Welligkeit und das Über- und Unterschwingen. Bei empfindlichen Verbrauchern wie zum Beispiel PLL-Funktionen (Phase-Locked-Loop) kann zur Verringerung der Welligkeit ein separates Filter erforderlich sein. Zu entscheiden ist ferner, ob mehrere Verbraucher gemeinsam an eine Stromversorgung angeschlossen werden können, was die Kosten reduzieren würde, oder ob eine separate Versorgung (beispielsweise für störempfindliche Verbraucher) vorzuziehen ist.

Der Softstart eignet sich für Sequencing-Zwecke, um sicherzustellen, dass eine Versorgungsspannung nach der anderen aktiviert wird und es zu keinen Latch-up-Effekten kommt. Ebenso lässt sich damit der Einschaltstrom begrenzen und ein monotones Ansteigen der Spannung gewährleisten. Designwerkzeuge wie der Power Architect machen die notwendigen Informationen zentral verfügbar, sobald sich der Anwender für ein bestimmtes FPGA entschieden hat.

Stromversorgungsarchitekturen

Sind die Anforderungen an die Stromversorgung ermittelt, steht die Wahl der Stromversorgungsarchitektur an. Es kann vorteilhaft sein, zwischen der eingangsseitigen Gleichspannung und den PoL-Reglern eine oder mehrere Zwischenspannungen vorzusehen. Ein Grund hierfür ist, dass man in diesem Fall nur einen einzigen Regler mit Bauelementen für hohe Spannungen benötigt, die tendenziell teurer sind und mehr Platz benötigen. Hinzu kommt, dass asynchrone Abwärtswandler mit einem hochwertigen High-Side-MOSFET bei höheren Tastverhältnissen meist effizienter arbeiten.

Die Verwendung eines zusätzlichen zwischengeschalteten Reglers zum Absenken der Eingangsspannung kann den Wirkungsgrad deshalb insgesamt verbessern.

Bild 2 vergleicht bei unveränderter Eingangsspannung und Ausgangsleistung verschiedene Zwischenspannungs-Konfigurationen in Bezug auf Wirkungsgrad und Platzbedarf. Die Variante ganz ohne Zwischenspannung kommt zwar mit den wenigsten Reglern aus, benötigt aber den meisten Platz und erreicht den niedrigsten Wirkungsgrad.

Die größte Effizienz und die kleinsten Abmessungen bietet das Design mit zwei in der Nähe der PoL-Spannungen angesiedelten Zwischenspannungen von 12 V und 5 V. Nach dieser Betrachtung der Systemarchitektur soll es nun darum gehen, wie sich die einzelnen Schaltwandlerdesigns optimieren lassen, um die Wünsche nach geringem Platzbedarf, hohem Wirkungsgrad und niedrigem Kostenaufwand zu erfüllen.

Eine ganz entscheidende Stellschraube ist dabei die Schaltfrequenz. Hohe Schaltfrequenzen ermöglichen die Verwendung einer kleineren Drossel, weil die On-Intervalle des Schalters kürzer werden.

Eine kleinere Grundfläche ist die Konsequenz. Andererseits steigen bei hohen Frequenzen die Schaltverluste an, was zulasten des Wirkungsgrads geht.

Die Kosten sind bei höheren Schaltfrequenzen tendenziell geringer, da kleinere Bauelemente meist preisgünstiger zu haben sind. Umgekehrt senkt eine niedrige Schaltfrequenz die Schaltverluste, sodass der Wirkungsgrad steigt. Um die geschalteten Stromstärken nicht übermäßig ansteigen zu lassen, wird dann allerdings eine größere Drossel benötigt, was die Grundfläche entsprechend vergrößert.

Die größere Drossel kann auch den Preis in die Höhe treiben. Das Optimieren der einzelnen Stromversorgungen mit Blick auf eine insgesamt gestellte Zielvorgabe bietet die Möglichkeit, das gesamte FPGA-Stromversorgungssystem weitreichend zu modularisieren. Der Systemwirkungsgrad liegt zwischen 84% und 94% und der Platzbedarf zwischen 1,4 cm2 und 6,4 cm2. Die Kosten liegen zwischen 14,08 US-Dollar und 31,53 US-Dollar.

Über den  Autor:

Jeff Perry ist Senior Manager WEBENCH Team bei National Semiconductor.