Broschüre
Auswahlhilfe für Flex-Leistungsmodule
Einführung
Jeder Schaltungsentwickler wird Ihnen bestätigen, dass Faktoren wie Leistung und Flexibilität für viele erfolgreiche Aspekte moderner Elektronikentwicklung entscheidend sind. Wir von Flex Power Modules wissen, dass softwaregesteuerte Geräte wie Mikrocontroller zwar in vielen Fällen ausreichend sind, es aber ebenso viele Anwendungen gibt, die die Leistung eines hardwarebasierten Ansatzes erfordern. Aus diesem Grund erfreuen sich Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) großer Beliebtheit. Doch es gibt ein Problem: Ihr Leistungsbedarf kann recht komplex sein. Glücklicherweise lässt sich mit dem Einsatz modernster Point-of-Load (PoL)-Wandler eine Lösung finden, wie immer mehr Entwicklungsingenieure unter Ihnen feststellen.
Die Vorteile von FPGAs gegenüber kundenspezifisch entwickelten ASICs sind hinlänglich bekannt und umfassen geringere Kosten, eine breite Palette an Baugrößen und die Möglichkeit zur Rekonfiguration von Schaltungen. Andererseits benötigen FPGAs hochmoderne Stromversorgungslösungen. Doch wie hochmodern genau? Nun, uns sind Fälle bekannt, in denen das Stromversorgungsmodul bis zu zehn separate Versorgungsspannungen sowie eine dynamische Spannungsanpassung bieten muss.
Viele FPGAs verfügen über Transceiver, deren I/O-Spannungen dynamisch angepasst werden müssen. Dies erfordert ein softwarekonfigurierbares Stromversorgungssystem. Obwohl die Ströme hier relativ niedrig sind, besteht eine wachsende Nachfrage nach FPGAs mit konfigurierbaren Kernspannungen bei hohen Strömen, was den Einsatz dynamisch gesteuerten Energieverbrauchs fördert. Diese Entwicklung erfordert ebenfalls eine konfigurierbare Hauptversorgungsschiene und stellt Entwickler vor eine weitere Herausforderung, die häufig als adaptive Spannungsskalierung (AVS) bezeichnet wird.
PoL-Konverter für FPGAs sind sinnvoll
Der Stromverbrauch eines FPGAs setzt sich typischerweise aus mehreren Komponenten zusammen, darunter ein statischer und ein dynamischer Anteil sowie spezifische Leistungsanforderungen für Bereiche wie Transceiver oder I/O. Der statische Anteil ergibt sich hauptsächlich aus einer Kombination von Bias- und Leckströmen, während der dynamische Anteil maßgeblich von der jeweiligen Schaltungsauslegung oder Anwendung, der Konfiguration des I/O-Bereichs und der gewählten Taktfrequenz abhängt.
Wir wissen aus Erfahrung, dass niedrige Spannungen eine besondere Herausforderung darstellen. Der für die Kernlogik von FPGAs erforderliche Subvoltbereich führt zu hohen Strömen. Dies wiederum verursacht große Verluste und, wie Sie sich vorstellen können, erzeugt es im System übermäßige Wärme.
Was erwartet uns also noch? Kurz gesagt: eine ganze Menge. Die Sequenzierung mehrerer Spannungsschienen kann sich beispielsweise als recht aufwendig erweisen, ebenso wie die Einhaltung minimaler und maximaler Anlaufzeiten beim Einschalten. Hinzu kommt die generelle Empfindlichkeit von FPGAs gegenüber ungenauen Spannungen, die enge Spannungstoleranzen der Versorgung erfordert und somit die Komplexität und die Kosten Ihres Projekts erhöht.
Nicht-isolierte DC/DC-Punkt-am-Last-Wandler als Lösung
Trotz all dieser Schwierigkeiten und Hindernisse werden Sie erfreut sein zu erfahren, dass die neuesten digital gesteuerten, nicht-isolierten DC/DC-Point-of-Load-Wandler viele der für eine erfolgreiche Implementierung erforderlichen Funktionen bieten. In einem typischen Szenario mit FPGAs steigt normalerweise zuerst die interne Kernspannung an, gefolgt von der I/O-Spannungsschiene und der Hilfsspannung. Durch den Einsatz separater PoL-Module für jede Schiene lassen sich die Sequenzierungsverzögerungen gemäß den FPGA-Spezifikationen konfigurieren.
Um die Leistungsfähigkeit dieser Technologie zu demonstrieren, hat unser Team bei Flex Power Modules kürzlich festgestellt, dass der Großteil des Strombedarfs des Virtex Ultrascale+ VCXU13P FPGA von AMD-Xilinx mit nur drei Arten unserer PoL-Module gedeckt werden kann.
Zunächst wurde die Hauptkernspannung von 0,85 V bei etwa 100 A mit Hilfe eines Hochleistungstransistors vom Typ Flex bereitgestellt. BMR467 Der DC/DC-PoL-Wandler liefert einen Ausgangsstrom von bis zu 120 A bei Spannungen zwischen 0,6 V und 1,8 V und erfüllt damit problemlos die Anforderungen des FPGA, selbst bei der Versorgungsspannung V.niedrig Version mit Vccint Die Betriebsspannung beträgt 0,72 V. Dank einer Grundfläche von nur 50,8 mm x 19,05 mm x 10,4 mm war eine einfache Platzierung in der Nähe des FPGA möglich, wodurch die Länge der Hochstromleiterbahnen minimiert werden konnte.
Ebenfalls in der Lösung enthalten waren unsere BMR461 und BMR4696001 PoL-Wandler. Letztere können insbesondere für Anwendungen mit einem oder zwei Ausgängen konfiguriert werden, sodass ein einzelnes Gerät zwei verschiedene FPGA-Spannungsschienen versorgen kann, um Kosten und Platinenfläche zu sparen.
Unsere digitalen PoLs verfügen über eine Ausgangsspannungsprogrammierung, die Kern- und E/A-Spannungen von 0,6 V bis 5,5 V unterstützt. Darüber hinaus ermöglicht die integrierte AVS-Technologie über PMBus den Entwicklern eine deutliche Reduzierung des Energieverbrauchs.
Wir möchten außerdem darauf hinweisen, dass unsere intelligenten PoLs auf einem Regelkreis mit schnellem Einschwingverhalten basieren und sich daher ideal für die in FPGA-Anwendungen typischen Lastschwankungen eignen. Die Regelkreisparameter lassen sich digital konfigurieren, und bei bestimmten Geräten wird eine dynamische Kompensation angeboten.
Leistungsplanungssoftware ermöglicht Optimierung
Wer das Potenzial unserer hochleistungsfähigen PoL-Module mit hoher Leistungsdichte und hohem Wirkungsgrad (und des FPGA-Designs) voll ausschöpfen möchte, wird von der Einführung dieser Module definitiv profitieren. Flex Power Designer Die Software ist ein kostenloses Designtool für Elektronikingenieure. Alle PoL-Parameter lassen sich mit der Software konfigurieren. Sie kann außerdem Leistungsmodule überwachen und Diagramme wichtiger Parameter wie der Temperatur über die Zeit erstellen. Im Rahmen eines kürzlich erfolgten Updates haben wir die thermische Simulation eingeführt – ein Alleinstellungsmerkmal dieser Software.
Letztendlich bedeutet das Aufkommen der neuesten PoL-Wandler und der zugehörigen Software, dass die Entwicklung von Stromversorgungslösungen für die neuesten FPGAs – mit ihren komplexen Multi-Rail-Anforderungen, Timing-Vorgaben und hohen Leistungspegeln – weit weniger abschreckend ist als je zuvor.
Die nächste Generation des Flex Power Designers wird ein Referenzdesign-Tool für AMD-Xilinx-FPGAs enthalten, das automatisch geeignete Bauteile für jede Schiene vorschlägt. Diese werden beim Import von AMD-Xilinx-Leistungsberechnungsdateien hinsichtlich Kosten oder Leistung optimiert. Zusätzlich wird eine lastbasierte Designfunktion für AMD-Xilinx-FPGAs verfügbar sein, die eine einfachere und präzisere Lastsimulation ermöglicht.
Aktualisierung: Sie können sich ein aktuelles Webinar zu dieser Funktion ansehen. HIER
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