Programmierbare SoCs schnell integrieren System-on-Module-Konzept mit leistungsfähigem PMIC

Design-Rezepte

Um Ingenieuren einen schnellen Einstieg in das Stromversorgungsdesign zu ermöglichen, hat Infineon zwölf Ready-to-Use-Stromversorgungssysteme speziell für Zynq UltraScale+ entwickelt. Diese Stromversorgungssysteme bedienen nicht nur die unterschied­lichen Anforderungen der verschiedenen Mitglieder der Zynq-Produktreihe, sondern ermöglichen auch die Nutzung der Stromsparmodi und können mit und ohne aktivierten SerDes-Blöcken eingesetzt werden.

Um den Designprozess noch weiter zu vereinfachen, hat Infineon ein „Power Cookbook“ mit Rezepten zur Strom­versorgung herausgegeben, mit dem Entwickler das passende Stromversorgungssystem für ihr gewähltes Modul bestimmen können und in dem sie sämtliche Informationen zur Implementierung des Stromversorgungssystems finden – einschließlich Schaltbild und Gerber-Dateien.

Bild 3 zeigt eine Konfiguration aus dem „Power Cookbook“ mit zwei PMICs, die eine vollständige Stromversorgung einschließlich der Versorgungsspannungen für die SerDes-Blöcke des Zynq UltraScale+ MPSoCs bereitstellen.

Darüber hinaus erleichtert der PMIC IRPS5401 die Programmierung der richtigen Reihenfolge der Ein- und Ausschaltsequenzen. Während dies bei einem klassischen Stromversorgungsdesign, das von Grund auf neu erstellt wurde, sehr anspruchsvoll ist, kann die Konfiguration des IRPS5401 mithilfe der grafischen Oberfläche des PowIRCenter GUI von Infineon recht schnell und einfach programmiert werden.

Auch die Verzögerungsdauer nach dem Ein- und Ausschalten und die Anstiegs- und Abfallzeit jeder einzelnen Versorgungsspannung können durch entsprechende Einträge in der grafischen Oberfläche programmiert werden.

Die Programmierung der Ein- und Ausschaltsequenzen für den PMIC IRPS5401 ist wesentlich einfacher und schneller als der Entwurf individueller Zeitschaltungen für jede Spannung bei einem unabhängig entwickelten Stromversorgungsdesign. Da das Sequencing im PMIC integriert ist, wird kein externer Mikrocontroller oder spezieller Sequencer benötigt. Das spart Platz auf der Leiterplatte und Materialkosten.

Der Power-Management IC IRPS5401 enthält auch Register und integrierte Analogschaltkreise, was die Spannungsbegrenzung ohne externe Komponenten ermöglicht. Entwickler können innerhalb des PowIRCenter-GUIs geeignete Grenzwerte festlegen und Tests durchführen.

Darüber hinaus unterstützt das PowIRCenter auch die Fehlersuche auf dem SoC-Board, indem es den PMBus-1.2-Befehlssatz auswertet, den der IRPS5401 umfassend unterstützt. Dies vereinfacht die Entwicklung der Stromversorgung erheblich, da bereits beim Einschalten der ersten Musterplatinen sowohl Eingangsleistung, Ausgangsleistung, Ausgangsspannung und Überstrom als auch Temperatur und Fehleranzeigen für die Stromversorgung überwacht werden können.

Die Echtzeitüberwachung des Stromversorgungsstatus über die PMBus-Schnittstelle des PMIC kann sowohl dazu eingesetzt werden, bei Geräten wie einem Display eine physikalische Anzeige zum Status der Stromversorgung zu realisieren als auch die Leistungsdaten zur Analyse in der Cloud zu erfassen.

Die heutigen High-Density-FPGAs und modernen programmierbaren SoCs setzen den unaufhaltsamen Trend zu immer höherer Integrationsdichte fort. Dabei steigt die Anzahl der Versorgungsspannungen und der Spitzenstrom pro Rail. Gleichzeitig werden strengere Anforderungen an die Spannungsgenauigkeit und das Einschwingverhalten gestellt.

Mit der zunehmenden Verbreitung solcher Systeme, der Verkürzung des Produktentwicklungs-Lebenszyklus und der Minimierung der Leiterplattengröße werden auch Aspekte auf der Systemebene wie Leistungsdichte, Sequencing, Telemetrie und Skalierbarkeit der Stromversorgungs­infrastruktur immer wichtiger. Der Entwurf einer Stromversorgung, die all diese Anforderungen erfüllt, ist eine komplexe und anspruchsvolle Aufgabe, die eine erhebliche Zusatzbelastung für Entwickler darstellt.

Der konfigurierbare PMIC IRPS5401 von Infineon, der explizit für die Stromversorgung derartiger SoCs entwickelt wurde, ermöglicht eine flexible und skalierbare Lösung. Diese hat sich bei der Realisierung des System-On-Module UltraZED-EG von Avnet, das auf den programmierbaren Zynq Ultra­Scale+ MPSoCs von Xilinx basiert, als entscheidendes Schlüsselelement erwiesen.

Die Autoren:

 
Tony Ochoa
ist Senior Technical Marketing Engineer bei Infineon. Er verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von System-Level-Anwendungen im Bereich präziser Analog- und Leistungshalbleiter-Lösungen von Infineon, Analog Devices und Texas Instruments. Ochoa ist Autor verschiedener Veröffentichungen über Signalkonditionierung für Sensor-/Analog-Frontends und fortschrittliches Power-Design.

Udo Blaga
arbeitet seit 2013 als Supplier Line Manager und Senior Field Application Engineer im Bereich Power & Analog bei Avnet Silica. Zuvor beschäftigte er sich zwölf Jahre lang mit Xilinx-FPGA – ebenfalls als Field Application Engineer bei Avnet Silica. Zwischen 1996 und 2001 war er für Philips Semiconductors und für Siemens Halbleiter tätig.

 

 

Skalierbare Stromversorgung

Infineon hat den PMIC IRPS5401 als skalierbare Lösung für die Stromversorgung von FPGAs und programmierbaren SoCs verschiedener Hersteller entworfen. Dieser vereinfacht das Power-Management für unterschiedliche, auf Zync SoCs basierende Systemdesigns, die von der Einstiegsserie ZU2 bis zur Hochleistungsserie ZU19 reichen.

Dazu zählen auch die Basis-Zynq-CG-Produktreihen, die mit einem Dual-Core-ARM-Prozessor Cortex-A53 ausgestattet sind, die leistungsstärkeren Zynq-EG-Module mit einem Quad-Core Cortex-A53 und zusätzlichem Mali-400-Grafikprozessor sowie die Zynq-EV-Reihe mit Quad-Core Cortex-A53, Mali-400 und H.264/H.265-Video-Codec in einem einzigen Chip.

Das System-on-Module UltraZED-EG von Avnet mit Zynq ZU03-EG System-on-Chip nutzt die hohe Integration und Flexibilität des Power-Management ICs IRPS5401, um kompakte Gesamtabmessungen von 76,2 mm × 50,8mm zu verwirklichen.

Die Anwender bleiben fle­xibel, da sie im Laufe der Projektentwicklung mithilfe des PowIRCenter jederzeit eine Feinjustierung des Stromversorgungssystems vornehmen können, um die Stromversorgung exakt auf die Anforderungen ihrer Anwendung abzustimmen. Eine solche Flexibilität kann Wochen und Monate von „Trial and Error“ sparen, die andernfalls notwendig wären, um eine konventionelle Stromversorgung zu optimieren.