วิธีพัฒนาโซลูชันพลังงานขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพสำหรับ FPGA

เกทอาร์เรย์ที่ตั้งโปรแกรมภาคสนามได้ (FPGA) ถูกนำมาใช้มากขึ้นเพื่อรองรับการประมวลผลประสิทธิภาพสูงในการประมวลผลภาพและวิดีโอ ระบบการแพทย์ ยานยนต์และอวกาศ รวมถึงปัญญาประดิษฐ์ (AI) และการเรียนรู้ของเครื่อง (ML) การจ่ายไฟให้ FPGA เป็นฟังก์ชันที่ซับซ้อนและสำคัญซึ่งเกี่ยวข้องกับรางจ่ายไฟจำนวนมากและหลากหลาย โดยบางรางต้องใช้กระแสไฟสูงถึง 50 แอมแปร์ (A) อย่างรวดเร็ว

สำหรับการทำงานของ FPGA ที่เหมาะสม รางไฟฟ้าจำเป็นต้องเปิดและปิดการจัดลำดับ ต้องขึ้นและลงแบบโมโนโทนิก และต้องการความแม่นยำของแรงดันไฟฟ้าสูงและการตอบสนองชั่วคราวที่รวดเร็ว นอกจากนี้ อุปกรณ์ควบคุมไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสตรง (DC/DC) ที่จ่ายแรงดันไฟฟ้าต่างๆ ต้องมีขนาดเล็ก จึงสามารถวางไว้ใกล้กับ FPGA เพื่อลดปรสิตในสายจำหน่ายไฟฟ้า และต้องมีประสิทธิภาพในการลดการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ ในบริเวณใกล้เคียงของ FPGA ในบางระบบ ตัวควบคุม DC/DC ต้องบางพอที่จะติดตั้งที่ด้านหลังของแผ่นวงจรพิมพ์ (แผ่นพีซี)

แม้ว่าจะสามารถออกแบบเรกูเลเตอร์ DC/DC ประสิทธิภาพสูงและประสิทธิภาพสูงพร้อมการจัดการพลังงานแบบดิจิทัลในตัวที่จำเป็น แต่การทำเช่นนั้นในรูปแบบที่มีขนาดกะทัดรัดและรายละเอียดต่ำนั้นเป็นความท้าทายที่น่ากลัว อาจส่งผลให้เกิดการออกแบบซ้ำหลายครั้งและกลายเป็นสิ่งที่ทำให้ไขว้เขวจากการออกแบบระบบ FPGA ซึ่งทำให้เวลาในการออกสู่ตลาดล่าช้าและลดประสิทธิภาพของระบบลง

นักออกแบบระบบพลังงาน FPGA สามารถหันไปใช้ตัวควบคุม DC/DC ในตัวที่ผ่านการทดสอบและตรวจสอบแล้วอย่างสมบูรณ์ ซึ่งรวมถึงส่วนประกอบทั้งหมดในแพ็คเกจ Land Grid Array (LGA) และ Ball Grid Array (BGA) ขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพ ซึ่งเหมาะสำหรับการผสานรวมที่อยู่ติดกับ FPGA โดยตรง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพระบบไฟฟ้า (และ FPGA) ให้สูงสุด

บทความนี้ทบทวนความต้องการด้านการจ่ายพลังงานของ FPGA โดยเน้นไปที่ความแม่นยำของแรงดันไฟฟ้า การตอบสนองชั่วขณะ และการจัดลำดับแรงดันไฟฟ้า ตลอดจนให้รายละเอียดเกี่ยวกับความท้าทายที่เกี่ยวข้องกับการจัดการระบายความร้อนพร้อมตัวอย่างการปฏิบัติงาน จากนั้นจึงขอนำเสนอ ตัวควบคุม DC / DC ในตัว ซึ่งเหมาะสำหรับ FPGA ที่จ่ายไฟจาก Analog Devices รวมถึงเรกูเลเตอร์รายละเอียดต่ำที่สามารถติดตั้งที่ด้านหลังของบอร์ดพีซี พร้อมด้วยบอร์ดประเมินผลและคำแนะนำในการรวมระบบเพื่อเร่งกระบวนการออกแบบ

ข้อกำหนดด้านพลังงานของ FPGA

ฟังก์ชันต่าง ๆ ภายใน FPGA เช่น ลอจิกหลัก วงจรอินพุต/เอาต์พุต (I/O) วงจรเสริม และตัวรับส่งสัญญาณต้องการรางจ่ายไฟที่แตกต่างกัน สิ่งเหล่านี้มักจะจ่ายโดยใช้สถาปัตยกรรมการจ่ายไฟแบบกระจายที่มีตัวควบคุม DC/DC หนึ่งตัวหรือมากกว่า หรือที่เรียกว่าตัวควบคุมจุดโหลด (POL) สำหรับรางจ่ายไฟแต่ละราง ในขณะที่ตัวควบคุมเหล่านี้ส่วนใหญ่ใช้การแปลงพลังงานในโหมดสวิตช์เพื่อประสิทธิภาพสูงสุด วงจรที่ไวต่อสัญญาณรบกวน เช่น ตัวรับส่งสัญญาณ อาจต้องใช้ตัวควบคุมเชิงเส้นตรงแบบ dropout ต่ำ (LDO)

ในระบบขนาดเล็ก แรงดันการจ่ายไฟจำนวนมากมักจะเป็น 5 หรือ 12 โวลต์ DC (V_DC) ซึ่งสามารถจ่ายไฟให้กับ POL ได้โดยตรง ในระบบขนาดใหญ่ แรงดันไฟฟ้าที่ถูกกระจายออกมาอาจเป็น 24 หรือ 48 V_DC เมื่อใช้แรงดันการจ่ายไฟที่สูงขึ้น ตัวควบคุมแบบสเต็ปดาวน์จะถูกใช้เพื่อลดแรงดันการจ่ายไฟให้เหลือ 5 หรือ 12 V_DC บนบัสแรงดันไฟฟ้าระดับกลางที่จ่ายไฟให้กับ POL POL ให้แรงดันไฟฟ้าต่ำที่จำเป็นสำหรับรางจ่ายไฟ FPGA แต่ละตัว (รูปที่ 1) Power Rail แต่ละตัวมีข้อกำหนดเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับความแม่นยำ การตอบสนองชั่วคราว การจัดลำดับ และพารามิเตอร์อื่น ๆ

รูปที่ 1: ต้องใช้ตัวควบคุม POL หลายตัวเพื่อจ่ายไฟให้กับ FPGA (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

POL หลักมักจะเป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญที่สุดใน FPGA พลังงานหลักสามารถต่ำกว่า 1 V_DC ด้วยกระแสหลายสิบแอมป์ และมักมีความต้องการความแม่นยำที่ ±3% หรือดีกว่าเพื่อป้องกันข้อผิดพลาดทางลอจิก ตัวอย่างเช่น สำหรับ FPGA ที่มีข้อกำหนดความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าคอร์ ±3% ตัวควบคุมที่มีความแม่นยำ ±1.5% จะให้ค่าอีก ±1.5% สำหรับสภาวะชั่วคราว หาก POL มีการตอบสนองชั่วขณะที่ดี ก็จะให้ประสิทธิภาพที่มั่นคง อย่างไรก็ตาม เรกูเลเตอร์ที่มีความแม่นยำ ±2% อาจทำให้ยากต่อการบรรลุประสิทธิภาพที่ต้องการ มีเพียง ±1% เท่านั้นสำหรับการตอบสนองชั่วคราว ซึ่งจำเป็นต้องเพิ่มตัวเก็บประจุแบบบายพาสและอาจนำไปสู่ข้อผิดพลาดทางตรรกะระหว่างช่วงชั่วคราว

การขึ้นและลงของลำดับ

นอกเหนือจากความต้องการพลังงานที่เรียกร้องในขณะที่กำลังทำงาน FPGA ยังต้องการรางพลังงานต่าง ๆ เพื่อเปิดและปิดในลำดับเฉพาะด้วยเวลาที่แม่นยำ FPGA สมัยใหม่มักมีรางจ่ายไฟจำนวนมากที่จัดเป็นกลุ่มสองสามกลุ่มที่สามารถเปิดและปิดพร้อมกันได้ ตัวอย่างเช่น Altera Arria 10 FPGA จาก Intel มีการจัดระเบียบโดเมนพลังงานเป็นสามกลุ่ม กลุ่มเหล่านี้ต้องเปิดเครื่องตามลำดับจากกลุ่ม 1 (พร้อมรางแรงดันไฟฟ้า 6 ราง) ไปยังกลุ่ม 2 (รางแรงดันไฟฟ้า 6 รางเช่นกัน) ไปยังกลุ่ม 3 (รางสามราง) และปิดเครื่องในลำดับย้อนกลับเพื่อป้องกันความเสียหายต่อ FPGA (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: FPGA ต้องการให้รางจ่ายไฟขึ้นและลงตามลำดับที่กำหนด (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

รักษาความเย็น

ด้วยหน่วยงานกำกับดูแลจำนวนมากที่อยู่ใกล้กับ FPGA การจัดการระบายความร้อนจึงเป็นเรื่องที่น่ากังวล Analog Devices ได้รวบรวมบอร์ดพีซีเพื่อสาธิตตัวเลือกการจัดการระบายความร้อนเมื่อใช้เร็กกูเลเตอร์หลายตัว (รูปที่ 3) ประสิทธิภาพการระบายความร้อนได้รับผลกระทบจากตำแหน่งสัมพัทธ์ของตัวควบคุม ทิศทางและปริมาณของการไหลของอากาศ และอุณหภูมิโดยรอบ

รูปที่ 3: บอร์ดสาธิตการจัดการความร้อนสำหรับเรกูเลเตอร์แบบขนาน (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

สำหรับการเปรียบเทียบครั้งแรก อุณหภูมิจะถูกวัดที่เจ็ดตำแหน่งบนกระดานสาธิต ตำแหน่ง 1 ถึง 4 แสดงอุณหภูมิพื้นผิวของโมดูล และตำแหน่ง 5 ถึง 7 แสดงอุณหภูมิพื้นผิวบนบอร์ดพีซี (รูปที่ 4) ในเทอร์โมกราฟทั้งสองแบบ โมดูลภายนอกจะเย็นกว่า ซึ่งได้ประโยชน์จากการระบายความร้อนที่เพิ่มขึ้นโดยใช้พื้นที่บอร์ดพีซีทั้งสามด้าน เมื่อเทียบกับโมดูลตรงกลางที่กระจายความร้อนเพียงสองด้าน การไหลของอากาศก็มีความสำคัญเช่นกัน ในเทอร์โมกราฟด้านซ้าย มีการไหลของอากาศ 200 ฟุตต่อนาที (LFM) ที่มาจากด้านล่างของบอร์ดพีซี เทียบกับภาพด้านขวาที่ไม่มีการไหลของอากาศ โมดูลและบอร์ดพีซีที่มีการไหลเวียนของอากาศจะเย็นลงประมาณ 20°C

รูปที่ 4: การเพิ่มการไหลเวียนของอากาศ 200 LFM ช่วยลดอุณหภูมิโมดูลและบอร์ดพีซีได้อย่างมาก (ซ้าย) (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

ทิศทางการไหลของอากาศและอุณหภูมิโดยรอบก็มีความสำคัญเช่นกัน การใช้กระแสลม 400 LFM จากขวาไปซ้ายจะดันความร้อนจากโมดูลหนึ่งไปยังอีกโมดูลหนึ่ง ส่งผลให้โมดูลที่เย็นที่สุดอยู่ทางขวา โมดูลตรงกลางจะร้อนที่สุด และโมดูลทางซ้ายอยู่ระหว่างนั้น (รูปที่ 5 ด้านซ้าย) เพื่อพยายามชดเชยอุณหภูมิแวดล้อมที่สูงขึ้น ฮีทซิงค์ได้ถูกวางไว้บนโมดูลที่ทำงานที่อุณหภูมิ 75°C ภายใต้สภาวะที่รุนแรงนี้ โมดูลจะร้อนขึ้นอย่างมาก แม้ว่าจะมีการระบายความร้อนเพิ่มเติม (รูปที่ 5 ขวา)

รูปที่ 5: ผลกระทบของอุณหภูมิแวดล้อม 50°C (ซ้าย) และ 75°C (ขวา) ด้วยกระแสลม 400 LFM จากขวาไปซ้ายทั่วทั้งบอร์ดพีซี (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

แพ็คเกจ LGA และ BGA สำหรับการติดตั้งด้านหลัง

ตระกูล LTM4601 ที่มีตัวควบคุม DC/DC แบบ step-down ขนาด 12 A ต่อเนื่อง (สูงสุด 14 A) ช่วยให้นักออกแบบมีตัวเลือก LGA ขนาด 15 × 15 × 2.82 มม. (มม.) หรือแพ็คเกจ BGA ขนาด 15 × 15 × 3.42 มม. มีช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้า 4.5 ถึง 20 V_DC และสามารถให้เอาต์พุตตั้งแต่ 0.6 ถึง 5 V_DC ด้วยการติดตามแรงดันเอาต์พุตและระยะขอบ มีการควบคุม ±1.5% และค่าเบี่ยงเบนสูงสุดที่ 35 mV สำหรับการเปลี่ยนแปลงโหลดแบบไดนามิกจาก 0% ถึง 50% และ 50% ถึง 0% ของโหลดทั้งหมด โดยมีเวลาตกตะกอนที่ 25 ไมโครวินาที (µs)

เรกูเลเตอร์เหล่านี้มีทั้งแบบที่มีและไม่มีดิฟเฟอเรนเชียลรีโมตเซนส์แอมพลิฟายเออร์ในตัว ซึ่งสามารถใช้ควบคุมแรงดันเอาท์พุตได้อย่างแม่นยำโดยไม่ขึ้นกับกระแสโหลด ตัวอย่างเช่น LTM4601IV#PBF อยู่ใน LGA และ LTM4601IY#PBF อยู่ใน BGA และทั้งคู่มีแอมพลิฟายเออร์เซนส์ระยะไกลที่แตกต่างกันในตัว การใช้งานที่ไม่จำเป็นต้องใช้แอมพลิฟายเออร์ในตัวสามารถใช้ LTM4601IV-1#PBF ใน LGA หรือ LTM4601IY-1#PBF ใน BGA ได้ โมดูลเหล่านี้เป็นตัวควบคุม DC/DC ที่สมบูรณ์ โดยต้องการเพียงตัวเก็บประจุอินพุตและเอาต์พุตเพื่อให้เหมาะกับข้อกำหนดการออกแบบเฉพาะ (รูปที่ 6) รายละเอียดต่ำของโมดูลเหล่านี้ช่วยให้สามารถติดตั้งได้ที่ด้านหลังของบอร์ดพีซี

รูปที่ 6: ตัวควบคุม μModule เป็นตัวแปลงพลังงานที่สมบูรณ์ในแพ็คเกจเสริมความร้อน (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

Analog Devices นำเสนอDC1041A-A วงจรสาธิตการประเมินความเร็วของเร็กกูเลเตอร์ LTM4601 มีช่วงแรงดันอินพุต 4.5 ถึง 20 V_DC และแรงดันเอาต์พุตที่สามารถเลือกจัมเปอร์ได้ รวมทั้งสามารถตั้งโปรแกรมให้เพิ่มและลดการติดตามเอาต์พุตของโมดูลอื่นโดยบังเอิญหรือแบบอัตราส่วน

เรกูเลเตอร์บางเฉียบ

ความสูง 1.82 มม. ของแพ็คเกจ LGA 16 × 11.9 มม. จาก Analog Devices รุ่น LTM4686 ช่วยให้วางเรกูเลเตอร์แบบคู่ 10 A หรือ 20 A เดี่ยวใกล้กับ FPGA มากพอที่อุปกรณ์สามารถใช้ฮีทซิงค์ร่วมกันได้ ทำให้การจัดการระบายความร้อนง่ายขึ้น นอกจากนี้ตัวควบคุมเหล่านี้ยังพอดีกับด้านหลังของบอร์ดพีซี การจัดการพลังงานดิจิทัลแบบบูรณาการโดยใช้โปรโตคอล PMBus รองรับการกำหนดค่าระยะไกลและการตรวจสอบกระแสเอาต์พุต แรงดันไฟฟ้า อุณหภูมิ และพารามิเตอร์อื่นๆ แบบเรียลไทม์ เรกูเลเตอร์เหล่านี้รองรับช่วงแรงดันอินพุตสองช่วง LTM4686IV#PBF ทำงานตั้งแต่ 4.5 ถึง 17 V_DC และ LTM4686IV-1#PBF จาก 2.375 ถึง 17 V_DC โมดูล LTM4686 รองรับเอาต์พุตตั้งแต่ 0.5 ถึง 3.6 V_DC มีข้อผิดพลาดเอาต์พุตสูงสุด ±0.5% ตัวควบคุมเหล่านี้สามารถส่ง 18 A ที่ 1 V_DC จาก 5 V_DC อินพุตที่อุณหภูมิแวดล้อม +85°C พร้อมการไหลเวียนของอากาศ 400 LFM

นักออกแบบสามารถใช้ DC2722A วงจรสาธิตรวมกับซอฟต์แวร์ LTpowerPlay เพื่อสำรวจความสามารถของโมดูล LTM4686 ได้ หากต้องการประเมินเฉพาะเรกูเลเตอร์ DC2722A สามารถเปิดได้โดยใช้การตั้งค่าเริ่มต้นโดยไม่ต้องใช้การสื่อสาร PMBus การเพิ่มซอฟต์แวร์และดองเกิล PMBus ช่วยให้นักออกแบบสามารถสำรวจความสามารถในการจัดการพลังงานดิจิทัลที่สมบูรณ์ รวมถึงการกำหนดค่าชิ้นส่วนใหม่ทันทีและดูข้อมูลการวัดและส่งข้อมูลทางไกล

ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับการจัดวางบอร์ด

แม้ว่าจะมีข้อพิจารณาทางไฟฟ้าเล็กน้อยเมื่อทำการขนานเรกูเลเตอร์ μModule เพื่อจ่ายไฟให้กับ FPGA พารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับระยะห่าง จุดแวะพัก ระนาบพื้น และการไหลของอากาศก็มีความสำคัญ โชคดีที่การออกแบบ LGA footprint ช่วยลดความยุ่งยากในการจัดวางพลังงานและระนาบกราวด์ และให้การเชื่อมต่อความร้อนที่มั่นคงกับบอร์ดพีซี การวางเร็กกูเลเตอร์ μModule สี่ตัวแบบขนานกันนั้นเป็นเรื่องง่าย ๆ ในการทำที่จุดติดตั้ง LGA (รูปที่ 7) ยกเว้นสำหรับสภาพแวดล้อมที่ท้าทายผิดปกติ แพ็คเกจเสริมความร้อนพร้อมกับระนาบพลังงาน มักจะให้การระบายความร้อนที่เพียงพอสำหรับโมดูล

รูปที่ 7: การใช้ LGA ของเรกูเลเตอร์ μModule ช่วยลดความยุ่งยากในการขนานโมดูลหลายโมดูลและสนับสนุนประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่เพิ่มขึ้น (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

สรุป

เพื่อรองรับการใช้งานการประมวลผลประสิทธิภาพสูง FPGA ต้องการการจัดการพลังงานที่แม่นยำและมีประสิทธิภาพพร้อมเวลาตอบสนองที่รวดเร็ว การจ่ายไฟให้กับรางแรงดันไฟฟ้าจำนวนมากใน FPGA เป็นความท้าทายที่ซับซ้อนที่สามารถตอบสนองได้โดยใช้ตัวควบคุม μModule DC/DC จาก Analog Devices เรกูเลเตอร์เหล่านี้ยังให้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าและความร้อนที่จำเป็นในแพ็คเกจขนาดกะทัดรัดและบูรณาการได้ง่าย