Folleto
Guía de selección de módulos de potencia Flex
Introducción
Cualquier diseñador de circuitos le dirá que factores como el rendimiento y la flexibilidad son cruciales para el éxito en muchos aspectos del diseño electrónico moderno. En Flex Power Modules sabemos que, si bien los dispositivos controlados por software, como los microcontroladores, son adecuados en muchos casos, existen numerosas aplicaciones que requieren el rendimiento de un enfoque basado en hardware. Por esta razón, las matrices de puertas programables en campo (FPGA) se han vuelto muy populares, pero presentan un problema: sus necesidades de alimentación pueden ser algo complejas. Afortunadamente, existe una solución mediante la adopción de los convertidores de punto de carga (PoL) más recientes, como ya están descubriendo cada vez más ingenieros de diseño.
Las ventajas de las FPGA frente a los ASIC diseñados a medida están ampliamente documentadas e incluyen un menor coste, una amplia gama de tamaños y la posibilidad de reconfigurar circuitos. Por otro lado, las FPGA requieren soluciones de alimentación de última generación. Pero, ¿qué tan avanzadas? Sabemos de algunos casos en los que el módulo de alimentación debe ofrecer hasta 10 líneas de alimentación independientes, además de la reconfiguración de voltaje en tiempo real.
Un gran número de FPGA incorporan transceptores que requieren la reconfiguración dinámica de los voltajes de E/S, lo que implica que el sistema de alimentación debe ser configurable por software. Si bien las corrientes en este caso son relativamente bajas, existe una creciente demanda de FPGA con voltajes de núcleo configurables a altas corrientes, lo que fomenta el uso de un consumo energético gestionado dinámicamente. Este desarrollo requerirá que la línea de alimentación principal también sea configurable, lo que supone un nuevo reto para los diseñadores, conocido como escalado de voltaje adaptativo (AVS).
Los convertidores PoL para FPGA tienen sentido.
El consumo de energía de un FPGA suele ser la suma de varios componentes: un elemento estático y otro dinámico, además de los requisitos de potencia específicos para secciones como el transceptor o las E/S. Podemos desglosarlo aún más indicando que el componente estático se deriva principalmente de una combinación de corrientes de polarización y fugas, mientras que el componente dinámico depende en gran medida del diseño o la aplicación del circuito, la configuración de la sección de E/S y la frecuencia de reloj elegida.
Sabemos por experiencia que los bajos voltajes representan un desafío particular. El rango de subvoltios requerido para la lógica central de las FPGA genera altas corrientes. A su vez, se producen grandes pérdidas y, como es de esperar, se genera un calor excesivo en el sistema.
¿A qué más nos enfrentamos? En resumen, a bastantes. Por ejemplo, la secuenciación de múltiples líneas de voltaje puede resultar bastante ardua, al igual que cumplir con los tiempos de arranque mínimos y máximos. Además, las FPGA suelen ser intolerantes a voltajes imprecisos, lo que exige tolerancias de voltaje estrictas en la fuente de alimentación, incrementando así la complejidad y el costo del proyecto.
Los convertidores CC/CC no aislados de punto de carga vienen al rescate.
A pesar de todos estos inconvenientes y obstáculos, le complacerá saber que los convertidores CC/CC de punto de carga no aislados y controlados digitalmente más recientes ofrecen muchas de las características necesarias para una implementación exitosa. En un escenario común con FPGA, la primera línea de alimentación en activarse suele ser la tensión del núcleo interno, seguida de la tensión de E/S y la tensión auxiliar. Al utilizar módulos PoL independientes para cada línea, los retardos de tiempo de secuenciación se pueden configurar de acuerdo con las especificaciones de la FPGA.
Para demostrar la eficacia de esta tecnología, nuestro equipo de Flex Power Modules determinó recientemente que la mayor parte de las necesidades energéticas del FPGA Virtex Ultrascale+ VCXU13P de AMD-Xilinx podían satisfacerse utilizando solo tres tipos de nuestros módulos PoL.
En primer lugar, la tensión del núcleo principal de 0,85 V a aproximadamente 100 A se suministró utilizando un Flex de alto rendimiento. BMR467 Convertidor CC/CC PoL, que proporciona hasta 120 A de corriente de salida a voltajes entre 0,6 V y 1,8 V, cumpliendo así cómodamente los requisitos del FPGA, incluso para el Vbajo versión con Vccint Funciona a 0,72 V. Con unas dimensiones de tan solo 50,8 mm x 19,05 mm x 10,4 mm, fue posible colocarlo fácilmente cerca del FPGA, minimizando la longitud de las pistas de alta corriente.
También se incluyeron en la solución nuestros BMR461 y en BMR4696001 Convertidores PoL. Cabe destacar que estos últimos pueden configurarse para aplicaciones de salida simple o doble, lo que significa que un solo dispositivo puede gestionar dos líneas de voltaje FPGA diferentes para ahorrar costes y espacio en la placa.
Nuestra gama digital de PoL incorpora programación de voltaje de salida que admite voltajes de núcleo y E/S de 0,6 V a 5,5 V. Además, la función AVS integrada a través de PMBus permite a los diseñadores reducir significativamente el consumo de energía.
Cabe destacar que nuestros PoL inteligentes se basan en un bucle de control con respuesta transitoria rápida, lo que los hace ideales para gestionar las fluctuaciones de carga típicas de las aplicaciones FPGA. Los parámetros del bucle de control se pueden configurar digitalmente y se ofrece compensación dinámica en ciertos dispositivos.
El software de diseño de potencia permite la optimización
Quienes busquen maximizar el potencial de nuestros módulos PoL de alta densidad de potencia y alta eficiencia (y el diseño FPGA) definitivamente se beneficiarán al adoptar Diseñador de energía Flex Se trata de un software gratuito de diseño para ingenieros electrónicos. Permite configurar todos los parámetros de PoL, además de monitorizar módulos de potencia y generar gráficos de parámetros importantes, como la temperatura en función del tiempo. De hecho, en una actualización reciente, hemos incorporado la simulación térmica, una función exclusiva de este tipo de software.
En definitiva, la llegada de los convertidores PoL más recientes y el software asociado significa que diseñar soluciones de alimentación para los FPGA más modernos, con sus complejos requisitos de alimentación multirraíl, necesidades de temporización y altos niveles de potencia, es mucho menos complicado que nunca.
La próxima generación de Flex Power Designer incluirá una herramienta de diseño de referencia para FPGAs AMD-Xilinx, que sugerirá automáticamente componentes adecuados para cada línea de alimentación. Estos se optimizarán en función del coste o del rendimiento al importar archivos de estimación de potencia de AMD-Xilinx. También contará con una función de diseño basada en carga para AMD-Xilinx que permitirá una simulación de carga más sencilla y precisa según las necesidades de las FPGAs AMD-Xilinx.
Actualización: Puedes ver un seminario web reciente sobre esta funcionalidad. AQUÍ
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