Bild 3: Zusammen mit Handbuch ermöglicht das ISL8274M Evaluierungsboard Entwicklern einen schnellen Einblick in den Funktionsumfang.

Bild 3: Zusammen mit Handbuch ermöglicht das ISL8274M Evaluierungsboard Entwicklern einen schnellen Einblick in den Funktionsumfang. (Bild: Renesa)

Bild 1: Nur die Pufferkondensatoren sind noch zu beschalten, alles andere hat der ISL8274M, ein digitales Power-Modul, an Bord.

Bild 1: Nur die Pufferkondensatoren sind noch zu ergänzen, alles andere hat der ISL8274M, ein digitales Power-Modul, an Bord. Renesas

FPGAs erobern immer mehr Anwendungen, denn sie ermöglichen eine kostengünstige schnelle Entwicklung und bieten Flexibilität in der Programmierung oder Aktualisierung im Feld. Aktuelle Technologien erreichen einen niedrigen Stromverbrauch und hohe Verarbeitungsleistung, wobei die tendenziell immer geringere Core-Spannung einen breiteren Versorgungsspannungsbereich und höhere Ausgangsströme mit sich bringen. Viele FPGAs haben unterschiedliche Anforderungen an eine mehrphasige Stromversorgung, die eine geeignete Sequenzierung und einen geringen Rauschpegel aufweisen muss. Hierfür eignet sich ein digitales Power-Modul besonders gut.

Eine solche Fertiglösung vereint Controller, Leistungs-MOSFETs, Schaltinduktivitäten und die meisten passiven Komponenten, gekapselt in einem einzigen kompakten Gehäuse. Um das Systemdesign zu komplettieren sind lediglich die großen externen Bulk-Kondensatoren an den Ein- und Ausgängen zu ergänzen.

Ein digitales Power-Modul bieten zusätzlich eine digitaler Steuerung des gesamten Bausteins. Anders als bei einer analogen Lösung können Designer die Entwicklungszeit verkürzen und Steuerfunktionen zur Leistungsüberwachung und Sequenzierung schneller und einfacher umsetzen. Die Schaltwandler bieten eine präzise Spannungsregelung und nutzen aktuelle digitale Regelungstechnik, wodurch sie für FPGA-Anwendungen gegenüber anderer Stromversorgungskonzepte schnell konkurrenzfähig geworden sind. Der nachfolgende Beitrag stellt den Renesas-Baustein ISL8274M vor und erläutert, wie seine wichtigsten Produktmerkmale die Anforderungen für die Stromversorgung von FPGAs erfüllen.

 

Die Stärken des digitalen Powermanagements beschreibt der Artikel auf der nächsten Seite.

Module einfacher an FPGAs anpassen

Sowohl analoge als auch digitale Power-Module eignen sich für die Stromversorgung von FPGAs. Besondere Stärken des digitalen Powermanagements sind Echtzeit-Überwachung, digitale Regelung mit schnellem Einschwingverhalten, günstigere Stücklisten-Kosten und einfachere Entwicklung. Eine Lösung mit digitalem Power-Modul ist flexibel und passt sich leichter an neue FPGA-Leistungsanforderungen wie geringere Spannungen, höhere Strömen und zusätzliche Stromschienen an.

Über den PM-Bus lässt sich das Power-Management-System problemlos um weitere Stromphasen erweitern, über den proprietären digitalen DC-Kommunikationsbus von Renesas (DDC-Bus) kommunizieren mehrere Power-Bausteine miteinander. Auf diesem Wege erfolgt auch die Sequenzierung und das Interleaving sowie eine einfache Fehlererkennung. Viele digitale Power-Module erzielen heute eine hohe Regelungsgenauigkeit der Ausgangsspannung.

Eck-Daten

Die wichtigsten Daten des ISL8274M auf einen Blick:

  • Power-Modul mit digitaler Regelung und bis zu 95,5 % Wirkungsgrad
  • Zwei unabhängige Ausgänge mit je 30 A und 0,6 bis 5 V ±1,2 %
  • 4,5 bis 14 V Single-Rail-Eingangsspannung
  • Schnelles Einschwingen, keine Kompensation erforderlich
  • Feste Schaltfrequenz zwischen 296 kHz und 1,06 MHz
  • PM-Bus-Schnittstelle und Pin-Strap-Betriebsart
  • Echtzeit-Telemetrie für VIN, VOUT, IOUT, Temperatur, Tastverhältnis und Schaltfrequenz
  • Soft-Start/Stop, Sequenzierung und Tracking
  • Schutzfunktionen für Über-/Unterspannung, -strom und -temperatur mit Störungserfassung
  • Thermisch optimiertes HDA-Gehäuse

Der ISL8274M ist ein universelles, digitales Step-Down-Power-Modul mit PM-Bus-Kommunikation und vielen weiteren Funktionsmerkmalen für die speziellen Anforderungen von FPGA-Stromversorgungen. Zwei voneinander unabhängige Ausgänge können unterschiedliche FPGA-Bausteine versorgen oder parallelgeschaltet den doppelten Strom liefern. Ein serieller DDC-Bus ermöglicht die Kommunikation mit anderen Power-Komponenten. Damit lassen sich Einschaltsequenzierung, Schutz vor Fehlfunktionen und Überwachungsfunktionen konfigurieren und implementieren. Bild 1 zeigt eine allgemeinen Beschaltung des ISL8274M.

Schnelle Charge-Mode-Regelung

Der ISL8274M nutzt die patentierte Regelungsarchitektur mit dem Charge-Mode von Renesas. Bei fester Schaltfrequenz reagiert die digitale Regelung sehr schnell auf transiente Stromimpulse, insbesondere wenn im Schaltungsdesign sämtliche Ausgangskondensatoren in Keramikbauweise realisiert sind. Mit Multi-Rate-Sampling-Technik und einem digitalen Filter verringert der Baustein die Reaktionszeit zwischen Abtastmoment des Ausgangssignals und der Generierung des PWM-Steuersignals.

Bild 2: Verzögerungs- und Rampenzeiten beim Startup der Power-Modul-Ausgänge sind konfigurierbar.

Bild 2: Verzögerungs- und Rampenzeiten beim Startup der Power-Modul-Ausgänge sind konfigurierbar. Renesas

Ein digitales Power-Modul benötigt im Gegensatz zu analogen Modulen keine zusätzlichen passiven RC-Komponenten in der Kompensationsschleife. Bei sämtlichen Modifikationen im System lässt sich eine neue Kompensation problemlos über einen PM-Bus-Befehl oder eine Pin-Strap-Einstellung rekonfigurieren. Zur Unterstützung für den Entwickler bietet Renesas hier ein Referenzdesign an.

Im Zeitfenster zwischen Enable-Signal und anliegender Ausgangsspannung müssen gelegentlich eine Verzögerungszeit und die Anstiegsgeschwindigkeit beim Hochfahren der Ausgangsspannung einstellbar sein. Über das grafische Designtool Power-Navigator kann der Entwickler die Verzögerungs- und Rampenzeiten der unterschiedlichen Stromausgänge des ISL8274M auf einfache Weise präzise und voneinander unabhängig konfigurieren.

Eine Pre-Bias-Schutzfunktion tastet die Ausgangsspannung ab, bevor die Ausgangsrampe startet. Bild 2 zeigt den Soft-Startup-Vorgang mit einer Startup-Anstiegszeit von 5 ms.

 

Auf der folgenden Seite erfahren Sie, wie sich eine Gruppe von Power-Modulen sequenziell hochfahren lässt und welche Schutzmechanismen das ISL8274M bietet.

Sequenzielles Einschalten

Eine Gruppe von Power-Modulen für unterschiedliche Stromschienen oder Multiphasen-Betrieb lässt sich so konfigurieren, dass sie in einer vorbestimmten Abfolge hochfährt. Um ein Latch-Up zu vermeiden, muss eine Versorgungsspannung ihren Arbeitswert erst vollständig erreicht haben, bevor die nachfolgende ihren Zielwert erreicht. In der ISL8274-Serie lässt sich eine Sequenzierungskette mehrerer Bausteine über PM-Bus-Befehle so konfigurieren, dass sich der jeweils vorhergehende Baustein mit seinem Nachfolger verknüpfen lässt.

Mithilfe der integrierten Tracking-Funktion kann einer der beiden Ausgangskanäle dem differenziellen Spannungsprofil an den Pins VTRKP und VTRKN folgen – extern zu beschaltende Komponenten sind dafür nicht erforderlich.

Bild 3: Zusammen mit Handbuch ermöglicht das ISL8274M Evaluierungsboard Entwicklern einen schnellen Einblick in den Funktionsumfang.

Bild 3: Zusammen mit Handbuch ermöglicht das ISL8274M Evaluierungsboard Entwicklern einen schnellen Einblick in den Funktionsumfang. Renesa

Powermanagement für Schutz und Beobachtung

Der ISL8274M hat diverse Schutzfunktionen an Bord: Unter- und Überspannung (UV/OV) am Versorgungsspannungseingang, Treiber-Über- und -Unterspannung, zwei Stufen für Über- und Unterstrom (UC/OC) pro Stromausgang (Durchschnitt und Spitzenwert), Über- und Unterspannung für die Ausgangsspannung sowie Unter- und Überbetriebstemperatur (UT/OT).

Für jede Schutzfunktion sind Fehler- und Warngrenze einfach per PM-Bus einstellbar. Ebenso konfigurierbar sind verschiedene Reaktions-Optionen im Fehlerfall, wie zum Beispiel der Hiccup-Modus. Das Powermanagement des ISL8274M ermöglicht des Weiteren die Überwachung einer breiten Palette von Systemparametern.

Evaluierungsboards erleichtern den Einstieg

Ein ISL8274M-Evaluierungsboard mit detailliertem Benutzerhandbuch begleiten den Entwickler beim Kennenlernen eines digitalen Power-Moduls (Bild 3). Die Anwendungssoftware Power-Navigator von Renesas beschleunigt dabei Entwurf, Test und Debugging sowie die Finalisierung des eigenen Power-Designs.

Bild 4: Screenshot der Power-Navigator-Oberfläche unter Windows.

Bild 4: Screenshot der Power-Navigator-Oberfläche unter Windows. Renesas

Die Kommunikation zum Entwicklungsboard erfolgt per PM-Bus, worüber verschiedene Systemparameter und Schwellwerte einzustellen sind. Die endgültige Konfiguration befindet sich dann im nicht-flüchtigen Speicher des Bausteins. Bild 4 zeigt ein Beispiel der Bedienoberfläche des Power-Navigators für Windows.

Mit dem Power-Compass können Anwender schnell Bauteile ermitteln, die zu ihren speziellen Anforderungen passen, mehrere Stromschienen einrichten, eine anspruchsvolle Systemanalyse durchführen und kundenspezifische Referenzdesign-Dateien erstellen. Das Tool ist ausschließlich als Web-Applikation erhältlich, mit der es sich auch offline arbeiten lässt.

Renesas bietet das Web-basierte Power-Simulationswerkzeug iSim, ein benutzerfreundliches und interaktives Tool für Power-Management und Operationsverstärker-Design. Mit iSim kann der Entwickler schnell unterstützende Komponenten auswählen und seine Schaltung oder sein System auslegen und simulieren.

Schnell ausgeregelt

Das digitale Power-Modul ISL8274M nutzt eine patentierte Steuerungsarchitektur mit Charge-Mode und bietet mit mehr als 90 Prozent hohe Wirkungsgrade in den meisten Betriebfällen. Mit schnellem Einschwingverhalten reagiert der Baustein innerhalb von nur einem einzigen Taktzyklus auf Lastsprünge beim Ausgangsstrom, wie sie in Form von Burst bei FPGAs häufig auftreten. Dank seines kompensationsfreien Designs bleibt das Modul unabhängig von Veränderungen der Ausgangskapazität stabil, etwa aufgrund von Temperatur, Variation oder Alterung. Mit diesen Leistungseigenschaften eignet sich das Modul bestens für die Anforderungen anspruchsvoller Single- und Multi-Rail-Stromversorgungen.

Xiao Li

Autor
Senior Applications Engineer in der Industrial Analog & Power Group bei Renesas

(jwa)

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