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

Beim Design von Anwendungen auf Basis programmierbarer System-on-Chip-ICs müssen Entwickler meist auf erhebliche Unterstützung zurückgreifen, um ihre Hardware-Prototypen in Betrieb zu nehmen. Das System-on-Module-Konzept von Avnet überwindet die fundamentalen Hürden bei der Systemintegration.

Programmierbare System-on-Chip-ICs (SoC) können dabei helfen, die Entwicklung neuer Produkte zu beschleunigen. Durch ihren hohen Integrationsgrad tragen sie auch dazu bei, den Platz- und Strombedarf von Systemen zu begrenzen, die eine hohe Rechenleistung und schnelle Antwortzeiten benötigen.

Typische Beispiele für solche Systeme sind Antriebe für Hochleistungsmotoren, Kommunika­tionssysteme, Systeme zur Bildverarbeitung und Plattformen für maschinelles Lernen.

Es ist jedoch alles andere als einfach, ein System auf Basis programmierbarer SoCs zu realisieren. Verschiedene komplexe Herausforderungen müssen überwunden werden. Dazu zählen das Platinen-Layout einschließlich des Routings schneller serieller Signalleitungen, die Integration von Systemspeicher und Schnittstellen wie Ethernet und USB sowie das Power-Management.

Letzteres wird mit jeder neuen Generation programmierbarer SoCs komplexer, da immer mehr Funktionen integriert sind und an die Systeme immer höhere Anforderungen gestellt werden.

Mit System-On-Module- (SoM-) Boards, die ein vollständiges Embedded-Subsystem auf Basis eines programmierbaren SoC enthalten, lassen sich die Herausforderungen beim Entwickeln und Debuggen der Systeme meistern. Produktentwickler erhalten mit SoMs schnell eine lauffähige Plattform, auf der sie die SoC-Konfiguration parallel zu ihrer Applikation entwickeln können.

Mit dem System-On-Module UltraZed-EG (Bild 1) und den zugehörigen Referenzdesigns mit anwendungsspezifischen Carrier Boards hat Avnet Pionierarbeit für diese Herangehensweise bei der Entwicklung mit programmierbaren SoCs geleistet. Durch das Aufstecken des SoMs auf das Carrierboard entsteht eine applika­tionsfertige Hardware-Plattform, was die Zeiten für Systementwicklung und -Debuggen um rund 50 % verkürzen kann.

Das SoM von Avnet integriert mit dem Xilinx Zynq Ultrascale+ XCZU3EG die neueste Generation hochintegrierter und leistungsfähiger programmierbarer MPSoCs. Der Zynq SoC kombiniert einen modernen FPGA mit einem
Multicore-Prozessorsubsystem, einem integrierten Hochgeschwindigkeits-Speicher und Multi-Gigabit-Netzwerkschnittstellen.

Unabhängig davon ob der SoC auf einem SoM wie dem UltraZED-EG von Avnet oder auf einem herkömmlichen FPGA-Prototypenboard eingesetzt wird: Das Bereitstellen einer geeigneten Stromversorgung für die verschiedenartigen Systembestand­teile ist mit einer Reihe von Herausforderungen verbunden.

Das Power-Management

So benötigen die aktuellen programmierbaren SoCs mehrere Spannungen und damit auch mehrere Leiterbahnen für Strom. Neben der Core-Spannung besitzt das Zynq-Prozessorsystem beispielsweise getrennte Versorgungskreise (Rails) für den integrierten Speicher, die I/Os, die Phase-Locked Loop (PLL) sowie die Multi-Gigabit-Transceiver (SerDes).

Bei der Auslegung der Stromversorgung spielt es zudem eine entscheidende Rolle, ob das Gerät dauerhaft eingeschaltet ist (Always-on-Modus) oder ob es spezielle Stromsparmodi nutzen kann, die weitere Rails erfordern. Abhängig vom eingesetzten Modul können zwischen sieben und zehn individuellen Versorgungsspannungen erforderlich sein, die darüber hinaus in der richtigen Reihenfolge ein- und ausgeschaltet werden müssen.

Infineon hat Spannungsversorgungs-Designs für die Zynq UltraScale+ SoCs vom ZU02 bis zum ZU19 entwickelt und in Zusammenarbeit mit Xilinx die Zusammen­fassung der Rails optimiert.

Für die Gleichspannungsgenauigkeit (DC) und das Verhalten bei Laständerungen gelten sehr hohe Anforderungen. Bei der Core-Spannung für die Zynq UltraScale+ MPSoCs beträgt die maximal zulässige Abweichung 1 %, wobei die Restwelligkeit unter 10 mV liegen muss. Darüber hinaus wird diese hohe Genauigkeit auch bei Spannungen von nur 0,72 V und 0,6 V benötigt. Das liegt daran, dass die Module im modernen 16-nm-FinFET-Prozess von Xilinx gefertigt werden.

Zudem sind die Anforderungen an die Wechselspannungsgenauigkeit (AC) bei Laständerungen äußerst streng. So fordert Xilinx, dass die Spannung innerhalb einer Abweichung von ±3 % des Nennwerts bleibt, selbst wenn Über- und Unterschwingen aufgrund von Transienten bis zu 30 % des Laststroms beträgt.

Bei kleineren Modulen der Produktreihen ZU02 bis ZU05 kann der Spitzenstrom des Cores bei 7 bis 16 A liegen, während große Zynq MPSoCs wie der ZU19 bis zu 40 A für den Core benötigen. Darüber hinaus werden noch weitere Spannungen zur Versorgung voneinander getrennter Funktionen benötigt, so zum Beispiel für den integrierten Video-Codec aus der Zynq-EV-Produktreihe.

Bei der Stromversorgung des Cores muss die Spannung innerhalb einer Abweichung von ±3 % des Nennwerts bleiben, wenn der Strombedarf von zwei Drittel der maximalen Last auf den Spitzenwert steigt. Beim ZU19-Baustein stellt dies einen Anstieg von 25 A auf 40 A dar.

Neben den für Anwender nutzbaren I/O-Pins bietet der Zynq UltraScale+ SoC zudem integrierte SerDes-Blöcke, die eine effiziente Umsetzung schneller serieller Protokolle von außerhalb des Chips auf parallele Busse innerhalb des SoCs erlauben, um eine einfachere Datenverarbeitung zu ermöglichen.

Die SerDes-Blöcke können unbeschaltet bleiben, wenn sie nicht benötigt werden. Wenn sie aktiviert werden, erfordern sie jedoch zusätzliche Versorgungsspannungen und stellen noch höhere Anforderungen an das Verhalten bei Lastwechseln: SerDes-Transceiver können je nach Baustein und Anzahl bis zu 20 W aufnehmen.

Sie können mit Geschwindigkeiten von 1,5 Gbit/s bis 80 Gbit/s arbeiten. Hierbei müssen jedoch Überschwingungen auf den Versorgungsspannungen innerhalb einer Abweichung von ±10 mV der Nennspannung bleiben.

Flexibel bei Projektänderungen

Und als ob der Entwurf einer Stromversorgung, die all diese Anforderungen erfüllt, nicht schon kompliziert genug wäre, wird darüber hinaus noch Flexibilität benötigt, um auf geänderte Anforderungen reagieren zu können, wenn das Design im Verlauf des Projekts überarbeitet oder skaliert werden muss.

Wird das Design abgeändert, ändert sich zumeist auch die Anzahl der Versorgungsspannungen und die benötigte Leistung in Abhängigkeit vom SoC und der gewünschten Nutzung seiner Ressourcen. Dennoch sollte auch die Schaltung zur Stromversorgung möglichst geringen Platz benötigen, denn nur so lässt sich die kleinere Bauform dieses hoch integrierten SoCs wirklich optimal nutzen.

Avnet hat sich bei der Entwicklung des UltraZED-EG System-on-Modules für zwei Power-Management ICs (PMICs) des Typs IRPS5401 von Infineon entschieden. Jeder PMIC enthält vier DC/DC-Wandler und einen LDO-Regler (Bild 2).

Um zusätzliche Flexibilität zu bieten und die Versorgung der Core-Spannung mit Spitzenströmen von bis zu 40 A zu ermöglichen, ist einer der DC/DC-Wandler­kanäle mit einem PWM-Ausgang ausgestattet, der zur Steuerung einer externen Leistungsstufe wie dem TDA21240 genutzt werden kann.