Überlegungen zum Power System Management mit DPSM-Chips für FPGAs

FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) haben ihren Ursprung in den 1980er Jahren und sind eine Weiterentwicklung von PLDs (Programmable Logic Devices). Seither haben sich Ressourcenangebot, Geschwindigkeit und Effizienz der FPGAs jedoch verbessert, weshalb diese Bauelemente inzwischen für eine große Vielzahl von Rechen- und Verarbeitungsaufgaben die Lösung der Wahl sind. Das ist vor allem dann der Fall, wenn sich die Kosten für die Entwicklung applikationsspezifischer integrierter Schaltungen (ASICs) aufgrund niedriger Produktionsstückzahlen nicht rechnen. Allerdings sind die erzielten Fortschritte so groß, dass FPGAs mittlerweile sogar in Applikationen mit größeren Volumina zum Einsatz kommen. Nachdem beispielsweise die Bing-Suchmaschine in einem Pilotprojekt aus dem Jahr 2013 mithilfe von FPGAs erfolgreich beschleunigt wurde, weitete Microsoft die Verwendung FPGA-bestückter Server auf seine Cloud-Rechenzentren aus.

Anforderungen an die Stromversorgung von FPGAs

Um die interne Core-Logik, die I/O-Schaltungen, zusätzliche Logik, Transceiver und Speicher zu versorgen, benötigen FPGAs eine Reihe verschiedener Stromversorgungen, jede mit ihrer eigenen, niedrigen Spannung und ihrem eigenen Nennstrom. Diese Spannungen müssen außerdem unter Umständen in einer bestimmten Reihenfolge ein- und ausgeschaltet werden, um Schäden am FPGA zu vermeiden. Point-of-Load-Regler (PoL) setzen die höhere Versorgungsspannung der gesamten Leiterplatte auf die vom FPGA benötigten niedrigeren Spannungen. Die PoL-Regler lassen sich als Schaltregler realisieren, wenn es auf Effizienz ankommt, während Linearregler wie etwa Low-Dropout-Regler (LDO) sich besser für rauschempfindliche Schaltungen wie etwa PLLs und Transceiver eignen.

Während die Leiterplatten-Eingangsspannungen üblicherweise 5 V, 12 V, 24 V und 48 V betragen, benötigen FPGAs Spannungen, die von unter 1 V bis etwa 3 V reichen. Bei hohen Eingangsspannungen von 12 V, 24 V oder 48 V ist möglicherweise eine weitere zwischengeschaltete Stufe erforderlich, die eine niedrigere Spannung zur Versorgung der PoL-Regler erzeugt (Bild 1).

Unter den verschiedenen Spannungsebenen eines FPGA benötigt der Core mit rund 1 V die geringste Spannung. Allerdings ist hier auch die höchste Regelgenauigkeit (±3 % oder besser) erforderlich, und der Strombedarf kann abhängig vom Ausnutzungsgrad der FPGA-internen Ressourcen bis in den zweistelligen Amperebereich gehen. Um Logikfehler zu vermeiden, gilt es die Schwankungen der Versorgungsspannung gemäß den Spannungstoleranz-Vorgaben des jeweiligen FPGA auf den zweistelligen Millivoltbereich zu begrenzen, und zwar nicht nur unter statischen Bedingungen, sondern auch wenn der FPGA-Laststrom stark schwankt. Je schlechter die DC-Genauigkeit der Stromversorgung ist, umso größer müssen Entwickler die Entkopplungs-Kondensatoren dimensionieren, damit diese auch unter transienten Bedingungen eine hinreichend geregelte Versorgungsspannung sicherstellen können.

Als Beispiel sei eine Toleranzvorgabe von ±3 % für die Core-Versorgungsspannung angenommen. Wird in diesem Fall eine auf ±1 % genaue DC-Stromversorgung verwendet, bleiben noch ±2 % zum Auffangen von Transienten. Ist die DC-Stromversorgung dagegen nur auf ±2 % genau, schrumpft der Spielraum für Transienten auf ±1 %, weshalb in diesem Fall größere Bypass-Kondensatoren erforderlich sind.

Bild 1. Eine mögliche baumförmige Stromversorgungs-Struktur für FPGAs: Die hohe Eingangsspannung der Leiterplatte von beispielsweise 12 V, 24 V oder 48 V wird auf eine Zwischenspannung herabgesetzt, mit der die PoL-Regler zur Versorgung des FPGA gespeist werden. Analog Devices

Unbedingt notwendig ist eine Möglichkeit zur Feineinstellung der FPGA-Versorgungsspannung um den eigentlichen Sollwert herum, um in letzter Minute Designänderungen vornehmen zu können, um ein Design in einer anderen Anwendung wiederverwenden zu können, um die Reserven eines Boards zu prüfen und um die Leistungsaufnahme des Systems dynamisch optimieren zu können – sei es während der Entwicklung oder im praktischen Einsatz. Allerdings ist das Einlöten unterschiedlicher Widerstände in das Rückkoppelnetzwerk der Stromversorgung weder die schnellste noch die gangbarste Lösung für solche Fälle.

Eine Möglichkeit, die Feineinstellung der Spannung zu bewerkstelligen, ist die Verwendung eines D/A-Wandlers (DAC) im Rückkoppelnetzwerk eines Spannungsreglers (Bild 2). Für die Einstellroutine ist dann jedoch eine Software notwendig, um die gemessene Versorgungsspannung von einem A/D-Wandler (ADC) einzuholen, den richtigen Code für den DAC zu berechnen und anschließend den Ausgang des DAC langsam auf den berechneten Code einzustellen. So passt die Software die Versorgungsspannung langsam an, bis sie den Zielwert erreicht, ohne dass es zu Einbrüchen oder Überschwingern kommt. Diese Einstellroutine muss im Laufe der Zeit mehrmals wiederholt werden, um auszuschließen, dass sich die Versorgungsspannung langsam von ihrem Sollwert entfernt, wenn Bauelemente zeit- oder temperaturbedingt driften.

Die Überwachung der Versorgungsspannungen, der Ströme und etwaiger Fehler der FPGAs ist eine entscheidende Voraussetzung dafür, dass man über den Betriebszustand und den Stromverbrauch eines Systems in verschiedenen Szenarien Bescheid weiß, denn schließlich ist ein FPGA so etwas wie das Gehirn des elektronischen Systems. Dieses Verständnis in Verbindung mit einer entsprechenden Einstellmöglichkeit macht es überflüssig, Stromversorgungen für den Worst Case zu dimensionieren, sodass Kosten und Energie gespart werden. Hinzu kommt, dass sich eine sich anbahnende Fehlfunktion des Systems möglicherweise durch einen von der Norm abweichenden Trend im Stromverbrauch des FPGA ankündigen kann. Daraufhin könnte ein Alarm an den Host-Controller oder das Servicepersonal erfolgen, noch bevor die Leiterplatte oder das System tatsächlich ausfällt. Für die Spannungsüberwachung sind ADCs erforderlich, während zur Stromüberwachung zusätzlich Pegelumsetzer notwendig sind, um die am Strommesswiderstand abgegriffene Spannung in eine massebezogene Spannung umzuwandeln, wofür beispielsweise ein Transkonduktanzverstärker in Betracht kommt (Bild 3).

Bild 2: Einstellen der PoL-Versorgungsspannung auf den Sollwert per ADC und DAC. Analog Devices

Diese lange Liste der zu erfüllenden Anforderungen kann verwirrend sein – dabei kam das Fehlermanagement noch nicht einmal zur Sprache. Die Frage hierbei ist, wie das System reagieren soll, wenn es an einem PoL-Regler zur einer Über- oder Unterspannung kommt, seine Spannung also aus dem Bereich zulässiger Spannungen herausgerät. Soll es lediglich die fehlerhafte Stromversorgung abschalten oder muss es auch andere Stromversorgungen deaktivieren? Wie lässt sich außerdem ein Fehler beheben, der die komplette Leiterplatte lahmgelegt hat?

Schon an diesen wenigen Fragen wird deutlich, dass das Management des Stromversorgungssystems für ein FPGA schnell sehr kompliziert werden und von der eigentlichen FPGA-Applikation ablenken kann. Schließlich ist die baumförmige Stromversorgungsstruktur für ein FPGA nur ein kleiner Teil der gesamten Stromversorgung einer Leiterplatte mit digitalen Verarbeitungsfunktionen. Der Großteil der eben skizzierten Anforderungen gilt außerdem auch für andere digitale Bauelemente wie ASICs, DSPs, GPUs, SoCs und Mikroprozessoren. Notwendig ist also eine Management-Lösung für das Stromversorgungs-System, die sowohl einfach als auch skalierbar und flexibel ist.

Management eines digitalen Stromversorgungs-Systems

Analog Devices bietet verschiedene DPSM-Bauelemente (Digital Power System Management), die sich für die komplexen Stromversorgungs-Systeme von Digital-Processing-Boards eignen. DPSM-Bausteine sind mit oder ohne integrierte DC/DC-Wandler verfügbar und können somit entweder die externen PoL-Regler ersetzen oder zusammen mit diesen eingesetzt werden. Sogenannte Power System Manager (ohne DC/DC-Wandler) ergänzen bestehende analoge Stromversorgungs-Systeme, bei denen es sich um geschaltete Regler oder um LDO-Regler handeln kann, durch digitale Überwachungs- und Regelungsfunktionen. Ein Baustein wie der LTC2980 kann allein das Einstellen, das Margining, die Überwachung, das Sequencing, die Fehleraufzeichnung und das Fehlermanagement von bis zu 16 PoL-Reglern übernehmen. Bauelemente mit unterschiedlich vielen Kanälen (2, 4, 8 oder 16 Kanäle) lassen sich außerdem kombinieren, um Hunderte Versorgungsspannungen zu managen. Jüngster Neuzugang des Portfolios ist der zweikanalige LTC2972, der sich als einfache Einstiegslösung zum Überwachen und Regeln der zwei wichtigsten Versorgungsspannungen eines solchen Stromversorgungs-Systems einsetzen lässt.

Zweikanaliger Power System Manager

Bild 3: Eine in Frage kommende diskrete Schaltung zum Überwachen der Ausgangsspannung, des Laststroms und der Leistung einer PoL-Versorgung. Analog Devices

Der LTC2972 ist ein zweikanaliger Power System Manager, der umfassende, softwarebasierte Überwachungs-, Regelungs- und Blackbox-Fehleraufzeichnungsfunktionen für Stromversorgungs-Systeme von FPGA-, ASIC- und Prozessorplatinen bereitstellt und die Zuverlässigkeit des Systems verbessert und den Stromverbrauch der Leiterplatte optimiert (Bild 4). Ein 16-Bit-ADC feinjustiert und überwacht die Ausgangsspannungen der PoL-Regler mit einem TUE-Wert (Total Unadjusted Error) von 0,25 %, was die Leiterplatten-Fertigungsausbeute ebenso verbessert wie die Langzeit-Zuverlässigkeit. Die Möglichkeit, die Regelgenauigkeit der PoL-Ausgangsspannung auf ±0,25 % zu verbessern, lässt bei Lastsprüngen einen Spielraum von ±2,75 % bei einer Toleranzvorgabe von ±3 % für die FPGA-Versorgungsspannung, sodass die Entkopplungskondensatoren deutlich weniger Kapazität haben müssen und entsprechend weniger Platz auf der Leiterplatte notwendig ist. Die Messung der Ausgangsströme der Stromversorgungen erfolgt mit einem Messwiderstand, über den Gleichstromwiderstand der Induktivität oder mit dem IMON-Ausgang einer Stromversorgung. Die Strom- und Spannungs-Messwerte lassen sich intern multiplizieren, um auf zweckmäßige Weise eine Aussage über die Ausgangsleistung der PoL-Stromversorgung zu bekommen.

Das Sequencing der Versorgungsspannungen, die Überwachung und die Fehleraufzeichnung in einem EEPROM gehören zu den eingebauten Features des LTC2972. Das Sequencing erfolgt mithilfe von Verzögerungszeiten oder über kaskadierte Power-Good-Signale. Spezielle Komparatoren signalisieren einen Fehler, sobald die Eingangs- oder Ausgangsspannung des PoL-Reglers oder seine Temperatur das digital einstellbare Fenster unter- oder überschreiten. Fehler registriert außerdem die EEPROM-Blackbox, was die Ausfallanalyse vereinfacht und Fingerzeige für künftige Verbesserungen am System bietet. Ein First-Fault-Befehl liefert zusätzliche Aufschlüsse über die Ursache eines Systemfehlers. Fehler können zudem flexibel an andere Stromversorgungen oder DPSM-Bausteine weitergereicht werden.

Bild 4: Der zweikanalige Power System Manager LTC2972 bietet eine Energieüberwachung für den Zwischenkreis und eine Funktion zur Überwachung der PoL-Ausgangsleistung. Analog Devices

Der LTC2972 bietet eine Spannungs-, Strom-, Leistungs- und Energieüberwachung des Zwischenkreises, aus dem sich die PoL-Wandler versorgen lassen. Unabdingbare Voraussetzung für das Koordinieren, Optimieren und Reduzieren des Stromverbrauchs ist allerdings die Leistungs- und Energieüberwachung der Leiterplatte, um die Kühl- und Stromkosten von Server- und Rechenzentren zu senken. Der LTC2972 vermeidet die Vielzahl mühsamer Abfrage- und Berechnungsaufgaben, indem er eine Information über die aufgenommene Energie (in Joule) und die verstrichene Zeit ausgibt. Dies geschieht über den PMBus, den Industriestandard für die Kommunikation mit Power-Management- und Leistungswandler-Bausteinen. In Verbindung mit seinen digitalen Messwerten der Ausgangsspannungen, Ströme und Leistungen der PoLs erlaubt der LTC2972 die Langzeitüberwachung des von einem Stromversorgungssystem erreichten Umwandlungs-Wirkungsgrads.

Für jeden Kanal stehen programmierbare Power-Good- oder GPIO-Pins (General-Purpose Input/Output) zur Verfügung. Außerdem lässt sich der LTC2972 mit anderen Power System Managern verbinden, um das Sequencing und das Fehlermanagement von mehr als zwei Versorgungsspannungen zu koordinieren. PMBus-kompatible, über ein I²C/SMBus-Interface übertragene Befehle werden für die flexible Programmierung sowie das Auslesen von Daten aus dem Stromversorgungssystem verwendet. Die Konfiguration erfolgt mit der Entwicklungsumgebung LT-power-Play, die sämtliche DPSM-Produkte von Analog Devices unterstützt. Ist die benötigte applikationsspezifische Konfiguration in das interne EEPROM einprogrammiert, muss für den autonomen Betrieb keine weitere Software geschrieben werden.

Bild 5: Die Entwicklungsumgebung LTpowerPlay für DPSM-Produkte erfordert keinerlei Programmierung für den autonomen Betrieb. Analog Devices

(prm)