Programmierbare Logikbausteine (FPGAs) und Systems-on-Chip (SoCs) enthalten eine Vielzahl von Funktionen, angefangen bei Addierern und Multiplizierern bis hin zu DSP-Funktionen, Transceivern, Speicherblöcken und Schnittstellen. Aufgrund dieser Funktionsvielfalt haben sich FPGAs und SoCs in vielen Embedded-Designs für unterschiedliche Märkte als wesentliche Bestandteile etabliert.

Da FPGAs in der Anwendung mit ganz verschiedenen Komponenten und Subsystemen zusammenarbeiten, benötigen sie mehrere unterschiedliche Versorgungsspannungen mit jeweils eigenen Anforderungen an Spannung, Strom und Einschwingverhalten.

Eckdaten

Damit FPGAs und SoCs zuverlässig arbeiten können, benötigen sie für jeden internen Funktionsblock genau die richtige Versorgungsspannung, die zu einer exakt vorgegebenen Zeit anliegen muss. Wie sich Stromversorgungskonzepte für FPGAs und SoCs mit Schaltreglermodulen der Serie EN63xx von Intel vereinfachen lässt, veranschaulicht dieser Beitrag.

Manche FPGA-Cores benötigen oft Ströme von mehreren Ampere – einige Varianten sogar bis zu 90 A – bei relativ niedrigen Spannungen, etwa 0,95 VDC. Für die Versorgung von Speichern, Schnittstellen und digitaler Logik hingegen sind 1,5 bis 3,3 VDC erforderlich. Auch die Störfestigkeit ist bei der Auslegung der Stromversorgung ebenfalls von Bedeutung, da Funktionen wie Transceiver und PLLs über störungsfreie Stromschienen versorgt werden müssen, um Jitter im System zu vermeiden.

Stromversorgung von Grund auf richtig planen

Beim Planen der Stromversorgung für ein FPGA- oder SoC-Design sollten Entwickler zunächst eine Liste mit allen erforderlichen Spannungsschienen und den möglichen Spitzenströmen erstellen. Je nach Design gilt es auch, das Ein- und Ausschalten der einzelnen Stromschienen zu gruppieren oder in eine bestimmte Reihenfolge zu bringen (Power Sequencing).

Bild 1: Beispiel eines Early Power Estimator (EPE) für ein FPGA-basiertes Design.

Bild 1: Beispiel eines Early Power Estimator (EPE) für ein FPGA-basiertes Design. Enpirion

Aus der daraus resultierenden Stromversorgungsstruktur (Bild 1) sind sämtliche Anforderungen ersichtlich. Dabei sollten Entwickler nicht nur die verschiedenen Ausgangsspannungen, sondern auch die Eingangsversorgung beachten. Auf der Basis aller Kriterien kann der Entwurf der Stromversorgung beginnen.

Viele Anwendungen dürfen nur wenig Platz beanspruchen. Daher müssen Entwickler das Platzangebot genau beurteilen, um festzustellen, ob genügend Raum für die gesamte mechanische Konstruktion zur Verfügung steht. So kann zum Beispiel ein Lüfter für die Zwangskühlung erforderlich sein, was sich auf den Wirkungsgrad der Gesamtstromversorgung auswirkt.

Diskrete oder modulare Stromversorgung

Zudem ist der Platzbedarf für die Stromversorgung zu berücksichtigen, um herauszufinden, ob es physikalisch möglich ist, ein diskretes Stromversorgungsdesign zu implementieren, oder ob ein kompaktes Stromversorgungsmodul ausreicht.

Bild 2: Beispiel einer Stromversorgung mit zwei Reglern.

Bild 2: Beispiel einer Stromversorgung mit zwei Reglern. Enpirion

Diskret aufgebaute Stromversorgungsdesigns gelten zwar seit langem als kostengünstige Möglichkeit, können jedoch Leistungsmodulen mit ihren Vorteilen hinsichtlich Kosten, Platzbedarf und Leistungsfähigkeit nicht Paroli bieten. In manchen Fällen ist der Platz für eine diskrete Schaltung wie die in Bild 1 nicht vorhanden.

Entwickler sollten bei der Realisierung der Stromversorgung auch das Datenblatt sowie die Anwendungshinweise des FPGA bezüglich der Anschlüsse für die Core- und Transceiver-Stromschienen beachten. Diese Dokumente enthalten Einzelheiten über die Leitungsregelungstoleranz, deren Temperaturspezifikationen sowie das Einschwingverhalten der einzelnen Stromschienen des Bausteins. Die Auswahl der für den FPGA-Core und die Transceiver erforderlichen Regler sollte besonders sorgfältig erfolgen. Je nach Netzspannung kann auch ein Intermediate-Bus-Wandler erforderlich sein.

Ein- und Ausschaltgruppen berücksichtigen

Im Falle des Arria GX 10 von Intel PSG beschreibt der Leitfaden, wie der Baustein versorgt wird und welche Regler sich dafür eigenen. Die Core-Versorgungsspannung des Arria GX 10 beträgt 0,9 VDC mit einer Toleranz von ±30 mV. Bild 2 verdeutlicht die Stromversorgung des Arria 10 GX mit zwei Reglern. Zu beachten ist, dass die Struktur der Versorgung auch die Ein- und Ausschaltgruppierung berücksichtigt.

Bild 3: Reglermodul EN63.

Bild 3: Reglermodul EN63. Enpirion

Im Beispiel in Bild 2 entspricht die Versorgungstoleranz 1,5 Prozent oder besser, sodass Entwickler geeignete Stromversorgungsmodule finden müssen. Beim Einsatz von digital steuerbaren Reglern können Entwickler von einer hohen Flexibilität profitieren und zugleich die erforderlichen Ein- und Ausschaltsequenzen implementieren.

6-A-Wandler im QFN-Gehäuse

Ein Beispiel für ein Reglermodul sind die DC/DC-Abwärtswandler mit integrierter Induktivität der Serie EN63xx (Bild 3). Beim EN6362QI zum Beispiel handelt es sich um einen 6-A-Wandler, der im QFN-Gehäuse mit 8 mm x 8 mm Leistungsschalter, Induktivität, Gate-Treiber, Regler und Kompensation enthält. Das Modul kann 6 A Dauerstrom über den gesamten industriellen Betriebstemperaturbereich liefern.

Bild 4: Beispiel einer Stromversorgungsstruktur.

Bild 4: Beispiel einer Stromversorgungsstruktur. Enpirion

Nach der Auswahl der Core- und Transceiver-Regler können Entwickler die restlichen Regler in der Versorgungsstruktur auf der Basis aller wichtigen Parameter wählen. Bild 4 zeigt eine typische Stromversorgungsstruktur.

Zu diesem Zeitpunkt des Stromversorgungsdesigns sind die Anforderungen an die Sequenzierung mit zu berücksichtigen. Wie erwähnt, finden sich in den FPGA-Anwendungshinweisen alle spezifischen Ein-/Ausschaltsequenzen, die einzuhalten sind. Das Beispiel in Bild 5 erfordert drei verschiedene Stromversorgungsgruppen, die nacheinander ein-/ausgeschaltet werden sollen. Auch die Spannungspunkte, an denen die nächste Gruppe ein-/ausgeschaltet wird, sind in Bild 5 dargestellt.

Bild 5: Beispiel einer Ein- und Ausschaltsequenz.

Bild 5: Beispiel einer Ein- und Ausschaltsequenz. Enpirion

MOSFETs richtig dimensionieren

Um beim Abschalten des FPGA-Systems in der Stromversorgungsstruktur enthaltene Kondensatoren zu entladen, sollten Entwickler auf MOSFETs zurückgreifen, die kompatibel zur größten Kondensatorbank in der Versorgungsstruktur sind. Die MOSFETs müssen die während des Entladungsvorgangs auftretende Spitzenleistung verkraften und innerhalb sicherer Betriebsbedingungen arbeiten, um eine Überhitzung zu vermeiden.

Bild 6: Schematische Darstellung der zum Einschalten erforderlichen Schaltungen mit vier Versorgungsschienen.

Bild 6: Schematische Darstellung der zum Einschalten erforderlichen Schaltungen mit vier Versorgungsschienen. Enpirion

Eine Möglichkeit, die Ein-/Ausschaltsequenz zu regeln, bietet der MAX10 FPGA von Intel PSG. Bild 6 skizziert die Schaltung, die erforderlich ist, um dies mit einer Gruppe von vier Stromschienen zu erreichen. Mit einer Hilfsenergieversorgung lässt sich der Abschaltvorgang des MAX10-Abschaltkreises mit mindestens 100 ms versorgen, nachdem der Abschaltvorgang eingeleitet wurde.