FPGAs und SoC-Bausteine enthalten neben der Logik- immer mehr Mixed-Signal-Funktionen. Damit erreichen sie eine neue Leistungsfähigkeit auf Systemebene. Um von der höheren Performance dieser komplexen Bausteinen profitieren zu können, müssen Entwickler allerdings deren hohe Leistungsanforderungen berücksichtigen. Spannungs- und Stromspezifikationen sind zwar wichtige Faktoren, die Feinheiten liegen jedoch in der Genauigkeit, Stromwelligkeitstoleranz und dem Einschwingverhalten.
Hohe Genauigkeit und geringe Welligkeit
Bei diesen immer komplexeren und leistungsfähigeren Systemen kann der Strombedarf erheblich steigen. In Highend-Anwendungen ist die FPGA-Leistungsaufnahme ein wichtiger Faktor, da allein der Core einen zweistelligen Strombedarf in Ampere aufweisen kann. Kommen noch Hard-Prozessoren, Transceiver, IP und I/O-Schnittstellen hinzu, kann der Gesamtstrombedarf schnell über 100 A betragen. Jegliche Technik, die den Gesamtenergieverbrauch verringert und die Effizienz des Bausteins erhöht, ist daher willkommen. Verbessert sich der Wirkungsgrad um nur 1 %, verringert sich der Energieverbrauch um bis zu 270 mW.
Bild 1: Leistungsmodule wie das EM1130 sparen wertvollen Platz auf der Leiterplatte. Altera
Ein weiterer Aspekt bei der Stromversorgung eines FPGA-Designs ist dessen Empfindlichkeit gegenüber elektrischen Störungen. Erstens weisen FPGAs enge Versorgungstoleranzen auf, sodass die Stromquelle eine hohe Genauigkeit und geringe Welligkeit bieten muss. Zweitens kann sich die Betriebslast des FPGA erheblich ändern, was zu sehr schnellen Transienten auf den Versorgungsschienen führt. FPGA-Anwendungen können sehr rechenintensiv sein (Algorithmen) – diese Beanspruchung ist aber nicht immer deterministisch, sodass die Energieanforderungen des Bausteins variieren und sich plötzlich ändern können. Schnelles Schalten verursacht Transienten und die Stromversorgung muss dementsprechend reagieren, indem sie eine hohe Rückkopplungsbandbreite aufweist.
Die optimale Versorgung sollte dies mit einer minimalen Anzahl zusätzlicher Bauteile wie Bulk-Kondensatoren bewerkstelligen. Der FPGA-Core, die Transceiver und PLLs sind anfällig für solche Transienten, sodass reine Versorgungsschienen zur Verfügung stehen müssen, um Jitter im System zu verhindern.
Möglichst wenig Leiterplattenfläche belegen
Die letzte Überlegung sollte sein: ist ein FPGA das Herzstück eines Systems, müssen auch mehr I/O-Standards unterstützt werden und die Anzahl an Versorgungsschienen nimmt zu. Die meisten Entwickler sind heute mit solchen komplexen Designs auf engem Raum vertraut. Sie benötigen dafür eine kompakte integrierte Stromversorgungslösung, die sicherstellt, dass die erforderliche Leiterplattenfläche minimal gehalten wird.
Für einfachere Designs mit weniger Leistungsbedarf ist eine diskrete Stromversorgung ausreichend. Trotz der geringeren Kosten kann aber der Entwicklungsaufwand, etwa die Spezifikation der Induktivität, einige Zeit in Anspruch nehmen und einen Monat länger dauern als das Design-in eines Stromversorgungsmoduls, das von Grund auf neu konzipiert wurde.
Die zusätzliche Herausforderung, bei einem FPGA über alle Lastbedingungen hinweg die Stromwelligkeit zu kontrollieren und die Versorgungstoleranzen einzuhalten, verkompliziert die Arbeit der Entwickler. Mit integrierten Modulen, die den Schalter, Regler und die Magnetbauteile in einem Chip enthalten, stehen zuverlässige und kompakte Lösungen bereit. So arbeiten die Power-SoC-Module der Enpirion-Familie bei einer höheren Frequenz als herkömmliche DC/DC-Wandler, was die Magnetschaltkreise so klein wie möglich hält und die direkte Integration in das Modul gewährleistet. Das neue digital geregelte Modul EM1130 belegt mit nur 360 mm2 für eine 30-A-Stromversorgung deutlich weniger Fläche als eine vergleichbare diskrete Lösung (Bild 1).
Bild 2: Neuerungen wie VID können die Leistungsaufnahme erheblich senken. Altera
Deutlich kleiner als diskrete Lösungen
Bezüglich des Stromverbrauchs sind heutige FPGAs so ausgelegt, dass sie mit jeder Technologie zusammenarbeiten, die den Gesamtenergieverbrauch des Systems senkt. Eine Möglichkeit ist die VID-Funktion (Voltage ID). Dabei werden die FPGAs während der Fertigung zusätzlichen Tests unterzogen. Durch die Überwachung der Corespannung, bei der jeder Baustein seinen Schnelligkeitsgrad erreicht, kann ein spezielles Register gesetzt werden, das die Spannung angibt. Die Änderung der Corespannung für bestimmte Leistungskriterien kann erheblichen Einfluss auf den Stromverbrauch haben. Ein Altera Arria 10 FPGA verzeichnet eine um 40 % geringere statische Leistungsaufnahme, sobald die VID-Funktion aktiviert ist (Bild 2).
Dazu muss die Stromversorgung diese Spannung abfragen und Vout entsprechend einstellen. Aktuelle Powermanagement-ICs wie Enpirion EM1130 nutzen dafür das PMBus-Protokoll. Diese serielle Schnittstelle interagiert mit dem FPGA und stellt die Corespannung gemäß der individuellen Anforderungen des Bausteins ein. Der PMBus dient nicht nur zum Regeln der Ausgangsspannung, sondern auch zum Messen der Spannung, des Stroms und der Temperatur des Bausteines.
Eckdaten
Bei der Wahl eines Powermanagement-Moduls für FPGA-Designs gilt es, die hohen Leistungsanforderungen diese Bausteine zu berücksichtigen und gleichzeitig möglichst wenig Leiterplattenfläche zu belegen. Kompakte integrierte Stromversorgungslösungen wie das EM1130-Modul müssen nicht nur Spannungs- und Stromspezifikationen beachten, sondern auch Genauigkeit, Stromwelligkeitstoleranz und Einschwingverhalten im Auge behalten. Besonders gefragt sind auch Techniken, die den Gesamtstromverbrauch senken. Die VID-Funktion etwa überwacht die Corespannung und minimiert damit die statische Leistungsaufnahme.
Konfigurationen extern aktivieren
Die Befehle des PMBus-Protokolls können zur Regelung einzelner Leistungsmodule dienen – wenn das Design über mehrere Module an einer Versorgungsschiene verfügt. Das erhöht die Flexibilität und die Stromschienen müssen nicht während der Serienfertigung konfiguriert werden. Im Falle des EM1130 lassen sich bis zu acht voreingestellte Versorgungskonfigurationen speichern, die sich später über externe Widerstände aktivieren lassen.
Darüber hinaus basiert das EM1130 auf hochaktueller LDMOS-Technologie, die höhere Frequenzen unterstützt als herkömmliche MOSFETs – und das ohne Transistorverluste (oder Abschläge beim Wirkungsgrad), wie sie bei Transistoren und hohen Frequenzen auftreten. Dies trifft sowohl auf den FPGA-Core als auch auf die Transceiver zu.
Betriebsfrequenz und Wärmemanagement
In der Vergangenheit haben FPGA-Hersteller einen LDO (Low-Dropout-Regler) für die Transceiver empfohlen. Da jedoch die Anzahl der Transceiver in einem FPGA steigt, ist es heute unmöglich, diese über einen LDO zu versorgen. Schaltwandler sind nun erforderlich, damit die Transceiver hohe Datenraten fehlerfrei verarbeiten können.
Bild 3: Die genaue Regelung der Welligkeit und des Transientenverhaltens erhöht die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems. Altera
Bei der Wahl eines Powermanagement-Moduls sollte die Betriebsfrequenz beachtet werden. Zum einen hat sie direkten Einfluss auf die Bauteilgröße, da die Abmessungen der Magnetbauteile direkt auf die Frequenz bezogen sind. Zum anderen erlaubt eine hohe Frequenz auch eine schnelle Bandbreitenrückkopplung, was wiederum eine schnelle Antwort auf Transienten ermöglicht, ohne große Bulk-Kondensatoren einzusetzen. Ebenfalls entscheidend ist, die Welligkeit im Toleranzbereich zu halten: innerhalb ±30 mV bei den meisten FPGAs. Das EM1130 bietet hier einen Wert von nur ±8 mV und übertrifft damit die Mindestanforderungen, gleiches gilt für die Ausgangsspannungsgenauigkeit von ±0,5 %.
Bei dicht bestückten Leiterplatten spielt auch die Thermal Performance eine wichtige Rolle. Eine effizientere Leistungswandlung zeigt hier positive Auswirkungen und der Wärmetransport vom Bausteingehäuse in die Leiterplatte unterstützt das Wärmemanagement. Das EM1130 basiert auf einem PCB-Substrat mit dicker Kupferschicht, um die Wärmeableitung zu fördern. Damit erübrigen sich ein Kühlkörper oder andere Wärmemanagement-Techniken.
Bob Blake
(mou)
