Referenzdesigns vereinfachen die FPGA-Energieverwaltung

Geräte mit Power-Management-ICs (PMICs) sind tendenziell intelligenter und effizienter, da sie den Energiefluss von innen und außen regulieren. PMICs helfen diesen Geräten, Strom effizienter zu nutzen und gleichzeitig ihre Lebensdauer zu verlängern. Daher steigt die Nachfrage nach solchen Komponenten schnell.

Einer der kritischsten Faktoren in einem FPGA-basierten System ist die Energieverwaltung. Die Stromversorgung eines FPGA erfordert eine sorgfältige Systemanalyse, und die gleiche Technik kann fast immer für einen ASIC verwendet werden.

Ingenieure verbringen die meiste Zeit mit dem Programmieren und möchten keine Zeit und Energie damit verschwenden, die richtigen Netzteile zu entwickeln. Tatsächlich besteht der beste Ansatz für die Leistungsabgabe darin, ein robustes, flexibles und getestetes Design zu verwenden, das die Anforderungen erfüllt und mit dem Design skaliert werden kann.

Die Spannung, die den FPGA-Kern versorgt, unterliegt großen Stromschwankungen, die durch extrem hohe Anstiegsraten gekennzeichnet sind. Dies erfordert, dass der Controller in der Lage ist, Stromsprünge an die Last zu liefern und gleichzeitig Änderungen seiner Ausgangsspannung zu minimieren.

Mehrere Stromschienen, Einschaltsequenz, enge Toleranzen, Einschwingverhalten, Systemzuverlässigkeit, Gesamtkosten und Größe der Lösung – das sind Dinge, die Designer bei der Stromversorgung eines FPGAs beunruhigen. Eine Möglichkeit, diese Herausforderungen anzugehen, besteht darin, ein Referenzdesign zu verwenden.

Zuletzt hat Renesas Electronics drei PMIC-Referenzdesigns für die Stromversorgung der mehreren Versorgungsschienen von Xilinx-FPGAs veröffentlicht. Die Referenzdesigns ermöglichen eine einfache Verwaltung der Schienenspeisung in den Xilinx Artix-7 FPGA-, Spartan-7 FPGA- und Zynq-7000-SoC-Systemen. Basierend auf mehrphasigen PMICs bieten die BGA-Paketlösungen von Renesas benutzerfreundliche, schlüsselfertige Lösungen, die es einem einzigen Projekt ermöglichen, unterschiedliche Geschwindigkeiten von Xilinx und DDR-Speichertypen wie DDR3, DDR3L, DDR4, LPDDR2 und LPDDR3 zu unterstützen.

Die drei Referenzdesigns – ISL91211A-BIK-REFZ, ISL91211A-BIK-REFZ und ISL91211AIK-REFZ – basieren auf den PMICs ISL91211AIK und ISL91211BIK von Renesas in BGA-Gehäusen.

Das Referenzdesignboard ISL91211A-BIK-REFZ für Artix-7-Geräte verwendet die mehrphasigen PMICs ISL91211AIK und ISL91211BIK, den synchronen 3-A-Abwärts-DC/DC-Wandler ISL80030 und die Mikrostrom-Spannungsreferenz ISL21010DFH312. Die PMICs bieten einen Wirkungsgrad von bis zu 95 % für mehrere Stromschienen und akzeptieren 5-V-Eingang von einem steckbaren AC/DC-Adapter oder einem DC-Netzteil. Der ISL80030 unterstützt VCCO und VCC_IO für 3,3 V, 2,5 V und 1,8 V, und der ISL21010DFH312 ist für eine XADC-Eingangsspannung von 1,25 V mit einer Genauigkeit von ±0,2 % vorgesehen.

Das Referenzdesign-Board ISL91211BIK-REF2Z für Spartan-7-Geräte verwendet den mehrphasigen PMIC ISL91211BIK und den synchronen 3-A-DC/DC-Abwärtswandler ISL80030. Der ISL91211BIK ist für VCCINT, VCCBRAM, VCC_DDR, VCCAUX und VTT erforderlich und akzeptiert 5-V-Eingang von einem steckbaren AC/DC-Adapter oder DC-Netzteil. Der DC/DC-Wandler ISL80030 unterstützt VCCO und VCC_IO für 3,3-V-, 2,5-V- und 1,8-V-Schienen.

Abbildung 1:Referenzdesign für Spartan 7 (Bild:Renesas)

Das Referenzdesign-Board ISL91211AIK-REFZ für Zynq-7000-Geräte verwendet den mehrphasigen PMIC ISL91211AIK, den ISL9123-Abwärtsregler mit niedrigem Iq und zwei ISL80030 3-A-synchrone Abwärts-DC/DC-Wandler. Der ISL91211AIK ist für VCCINT, VCCBRAM, VCC_DDR und VCCAUX erforderlich. Der ISL9123 liefert die VTT-Stromschiene und zwei ISL80030 DC/DC-Wandler unterstützen VCCO und VCC_IO für 3,3-V-, 2,5-V- und 1,8-V-Schienen.

Die Lösungen können einen Gesamtausgangsstrom von bis zu 20 A bereitstellen und sind mit unabhängiger dynamischer Spannungsskalierung ausgestattet, wodurch die Entwicklung von Netzteilen für eine Vielzahl industrieller Anwendungen wie Motorsteuerung, Machine-Vision-Kameras und speicherprogrammierbare Steuerungen effektiv beschleunigt wird ( SPS). Ihr abgestimmtes Steuerungs-Feedback unterstützt optimal die Lastprofile von Xilinx-FPGAs und kann die On/Off-Sequenzierung ohne zusätzliche Algorithmen intern verwalten. Sie können auch in Heim-Gateways und -Geräten, tragbaren medizinischen Geräten und drahtlosen Geräten verwendet werden.

Die Anwendung einer Schaltfrequenz von 2 MHz und ein schnelles Einschwingverhalten bei der Last ermöglichen es, dass jede PMIC-Platine 22-µF-Ausgangskondensatoren und eine kleine Induktivität verwendet, um die Größe der Lösung zu reduzieren. PMICs sind in 4,7 × 6,3-mm-35-Ball-BGA mit 0,8-mm-Pitch-Gehäusen erhältlich.

Beide mehrphasigen PMICs bieten die R5-Modulationstechnologie von Renesas, die extrem schnelle Transienten ermöglicht und Ausgangsspannungen dynamisch ändern kann, um die Systemleistung und -effizienz zu verbessern. Die R5-Controller-Technologie ist eine proprietäre Modulationstechnik, die laut Renesas die schnellste Reaktion auf sich ändernde Ausgangslastbedingungen bietet.

Abbildung 2:Vereinfachtes Diagramm der R5-Technologie von Renesas (Bild:Renesas)

Renesas bezeichnet die R5-Technologie als die nächste Entwicklung seines einzigartigen Hysterese-Controllers im Strommodus mit verbesserter Bandbreite und niedrigerem Iq als frühere Implementierungen.

Abbildung 3:Effizienz der R5-Modulationstechnologie (Bild:Renesas)

Der R5-Modulator arbeitet mit einem Hysteresefenster und einem synthetischen Stromsignal, das in Abb. 4 als Vcr. Die synthetische Rampe ist eine Darstellung der Induktorwellenform, ohne dass der Induktorstrom direkt erfasst werden muss.

Abbildung 4:R5-Regler im Übergangszustand (Bild:Renesas)

Im eingeschwungenen Zustand wird das Fenster mit dem Ziel gesteuert, eine konstante Schaltfrequenz mit einem konstanten Tastverhältnis zu haben. Die Position des Fensters ermöglicht es der Schleife, besser auf eine dynamische Last zu reagieren als ein Modulationsschema mit fester Frequenz. Der R5-Modulator erhöht die Effizienz der Last durch ein Stromspiel im MOSFET.

Außerdem ist der R5-Modulator nicht auf einen festen Takt angewiesen, um PWM-Impulse zu setzen oder zurückzusetzen. Daher kann es bei Bedarf natürlich die Impulse überspringen. Bei sehr geringem Laststrom wird die Schaltfrequenz der Schleife gesenkt, wodurch die Schaltverluste drastisch reduziert werden.

Alle Referenzdesign-Boards werden mit einem Benutzerhandbuch, einem vollständigen Schaltplan, einer Stückliste und PCB-Layout-Dateien geliefert. Sie sind über das Vertriebsnetz von Renesas erhältlich.