Cómo desarrollar soluciones de alimentación compactas y eficientes para FPGA

Los Arreglos programables de puertas en campo (FPGA) se utilizan cada vez más para la computación de alto rendimiento en el procesamiento de video e imágenes, los sistemas médicos, la automoción y las aplicaciones aeroespaciales, así como la inteligencia artificial (IA) y el aprendizaje automático (AM). La alimentación de una FPGA es una función compleja y crítica que implica un gran número y variedad de raíles de alimentación, algunos de los cuales necesitan hasta 50 amperios (A), rápidamente.

Para un funcionamiento correcto de la FPGA, los rieles de alimentación necesitan secuenciación de encendido y apagado, deben subir y bajar monótonamente y necesitan precisiones de alta tensión y respuestas de transiente rápidas. Además, los reguladores de corriente continua a corriente continua (CC/CC) que suministran los distintos voltajes tienen que ser pequeños para poder colocarlos cerca de la FPGA y minimizar las parásitas en las líneas de distribución de energía, y deben ser eficientes para minimizar los aumentos de temperatura en las proximidades de la FPGA. En algunos sistemas, los reguladores CC/CC deben ser lo suficientemente finos para poder montarse en la parte posterior de la placa de circuito impreso (placa PC).

Aunque es posible diseñar reguladores CC/CC de alta eficiencia y alto rendimiento con la necesaria gestión digital integrada de la energía, hacerlo en un formato muy compacto y de bajo perfil es un reto formidable. Puede dar lugar a numerosas iteraciones de diseño y convertirse en una distracción del diseño del sistema FPGA, retrasando la comercialización más rápida y reduciendo el rendimiento del sistema.

Los diseñadores de sistemas de alimentación FPGA pueden recurrir a reguladores CC/CC integrados, totalmente probados y verificados, que incluyen todos los componentes en encapsulados compactos y térmicamente eficientes de tipo land grid array (LGA) y matriz de malla de bola (BGA), adecuados para su integración directamente junto a la FPGA a fin de maximizar el rendimiento del sistema de alimentación (y de la FPGA).

Este artículo revisa las necesidades de suministro de energía de las FPGA, centrándose en la precisión del voltaje, la respuesta de transiente y la secuenciación del voltaje, además de detallar los retos relacionados con la gestión térmica con ejemplos de funcionamiento. A continuación, presenta reguladores CC/CC integrados de Analog Devices adecuados para la alimentación de FPGA, incluidos reguladores de bajo perfil que pueden montarse en la parte posterior de la placa a placa, junto con placas de evaluación y sugerencias de integración para acelerar el proceso de diseño.

Requisitos de potencia de FPGA

Las funciones de las FPGA, como la lógica del núcleo, los circuitos de entrada/salida (E/S), los circuitos auxiliares y los transceptores, requieren distintos raíles de alimentación. Suelen suministrarse mediante una arquitectura de potencia distribuida con uno o varios reguladores CC/CC, también denominados reguladores de punto de carga (POL), para cada carril de alimentación. Aunque la mayoría de estos reguladores utilizan la conversión de potencia en modo conmutado para obtener la máxima eficacia, los circuitos sensibles al ruido -como los transceptores- pueden requerir el uso de Reguladores de caída baja (LDO) lineales.

En los sistemas pequeños, la tensión de distribución suele ser de 5 o 12 voltios CC (V_CC), lo que permite alimentar directamente los POL. En sistemas más grandes, el voltaje de distribución puede ser de 24 o 48 V_CC. Cuando se utilizan tensiones de distribución más elevadas, se utiliza un regulador reductor para bajar la tensión de distribución a 5 ó 12 V_CC en un bus de tensión intermedia que alimenta los POL. Los POL proporcionan los voltajes bajos requeridos por los raíles de alimentación individuales de la FPGA (Figura 1). Cada riel de alimentación tiene requisitos específicos relacionados con la precisión, la respuesta de transiente, la secuenciación y otros parámetros.

Figura 1: Se necesitan varios reguladores POL para alimentar una FPGA. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

El núcleo POL suele ser la fuente de alimentación más crítica en una FPGA. La potencia del núcleo puede ser inferior a 1 V_CC con decenas de amperios de corriente, y a menudo tiene un requisito de precisión de ±3% o superior para evitar errores lógicos. Por ejemplo, para una FPGA con una especificación de tolerancia de voltaje del núcleo del ±3%, un regulador con una precisión del ±1.5%, proporciona otro ±1.5% para transitorios. Si el POL tiene una buena respuesta de transiente, proporcionará un rendimiento sólido. Sin embargo, un regulador con una precisión de ±2% puede dificultar la consecución del rendimiento necesario. Sólo se dispone de ±1% para la respuesta de transiente, lo que obliga a añadir condensadores de derivación y puede provocar errores lógicos durante los transientes.

Los altibajos de la secuenciación

Además de los exigentes requisitos de alimentación mientras funcionan, las FPGA necesitan que los distintos rieles de alimentación se enciendan y apaguen en secuencias específicas con una sincronización precisa. Las FPGA modernas suelen tener numerosos raíles de alimentación organizados en unos pocos grupos que pueden encenderse y apagarse juntos. Por ejemplo, las FPGA Altera Arria 10 de Intel tienen dominios de potencia organizados en tres grupos. Estos grupos deben encenderse en orden desde el Grupo 1 (con seis rieles de voltaje) al Grupo 2 (también seis rieles de voltaje) al Grupo 3 (tres rieles), y apagarse en la secuencia inversa para evitar daños en la FPGA (Figura 2).

Figura 2: Las FPGA requieren que los rieles de alimentación se enciendan y apaguen en una secuencia específica. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Mantener la calma

Con tantos reguladores colocados cerca de la FPGA, la gestión térmica es un problema. Analog Devices ha creado una placa a placa para demostrar algunas opciones de gestión térmica cuando se utilizan varios reguladores (Figura 3). El rendimiento térmico se ve afectado por la colocación relativa de los reguladores, la dirección y la cantidad de flujo de aire, y la temperatura ambiente.

Figura 3: Placa de demostración de gestión térmica para reguladores en paralelo. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Para la primera comparación, la temperatura se mide en siete puntos de la placa de demostración; los puntos 1 a 4 muestran la temperatura de la superficie de los módulos y los puntos 5 a 7 muestran la temperatura de la superficie de la placa de PC (Figura 4). En ambos termogramas, los módulos exteriores están más fríos, ya que se benefician de la mayor disipación térmica que proporciona el uso de la superficie de la placa de PC en tres lados, en comparación con los módulos centrales que sólo disipan el calor en dos lados. El flujo de aire también es importante. En la termografía de la izquierda, hay 200 Pies lineales por minuto (LFM) de flujo de aire procedente de la parte inferior de la placa de PC, en comparación con la ausencia de flujo de aire en la imagen de la derecha. Los módulos y la placa de PC con flujo de aire están unos 20 °C más fríos.

Figura 4: La adición de un flujo de aire de 200 LFM reduce significativamente las temperaturas del módulo y de la placa de PC (izquierda). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La dirección del flujo de aire y la temperatura ambiente también son importantes. Al usar el flujo de aire 400 LFM de derecha a izquierda empuja el calor de un módulo a otro, con el resultado de que el módulo más frío está a la derecha, los módulos centrales son los más calientes, y el módulo de la izquierda está en medio (Figura 5, izquierda). Para intentar compensar la mayor temperatura ambiente, se han colocado disipadores en los módulos que funcionan a 75 °C. En estas condiciones extremas, los módulos se calientan mucho más, incluso con el disipador adicional (Figura 5, derecha).

Figura 5: Impacto de las temperaturas ambiente de 50 °C (izquierda) y 75 °C (derecha) con un flujo de aire de 400 LFM de derecha a izquierda a través de la placa de PC. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Paquetes LGA y BGA para montaje posterior

La familia LTM4601 de reguladores CC/CC reductores de 12 A continuos (14 A de pico) ofrece a los diseñadores la opción de un encapsulado LGA de 15 × 15 × 2.82 milímetros (mm) o un encapsulado BGA de 15 × 15 × 3.42 mm. Tienen un rango de tensión de entrada de 4.5 a 20 V_CC y pueden proporcionar salidas de 0.6 a 5 V_CC con seguimiento de la tensión de salida y marginación. Presentan una regulación de ±1.5% y una desviación de pico de 35 mV para cambios de carga dinámicos de 0% a 50% y de 50% a 0% de la carga completa, con un tiempo de estabilización de 25 microsegundos (µs).

Estos reguladores están disponibles con y sin un amplificador de detección remota diferencial integrado que puede utilizarse para regular con precisión una tensión de salida independiente de la corriente de carga. Por ejemplo, el LTM4601IV#PBF está en un LGA, y el LTM4601IY#PBF está en un BGA, y ambos tienen un amplificador de detección remota diferencial integrado. Aplicaciones que no necesitan el amplificador integrado pueden utilizar el LTM4601IV-1#PBF en un LGA o el LTM4601IY-1#PBF en un BGA. Estos módulos son reguladores CC/CC completos, que sólo necesitan condensadores de entrada y salida para adaptarse a requisitos de diseño específicos (Figura 6). El bajo perfil de estos módulos permite montarlos en la parte posterior de la placa de CI/ Placa CI.

Figura 6: Los reguladores μModule son convertidores de potencia completos en envases térmicamente mejorados. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Analog Devices ofrece el circuito de demostración DC1041A-A para acelerar la evaluación de los reguladores LTM4601. Tiene un rango de tensión de entrada de 4.5 a 20 V_CC, y una tensión de salida seleccionable mediante puentes, así como programable para subir y bajar de forma coincidente o ratiométrica siguiendo la salida de otro módulo.

Reguladores ultrafinos

La altura de 1.82 mm del encapsulado LGA de 16 × 11.9 mm del LTM4686 de Analog Devices permite colocar estos reguladores dobles de 10 A o simples de 20 A lo suficientemente cerca de un FPGA como para que los dispositivos puedan compartir un disipador térmico común, lo que simplifica la gestión térmica. Además, estos reguladores encajan en la parte trasera de la placa de PC. La gestión digital integrada de la alimentación mediante el protocolo PMBus permite la configuración remota y la supervisión en tiempo real de la corriente de salida, el voltaje, la temperatura y otros parámetros. Estos reguladores están disponibles para dos rangos de tensión de entrada; el LTM4686IV#PBF funciona de 4.5 a 17 V_CC, y el LTM4686IV-1#PBF de 2.375 a 17 V_CC. Los módulos LTM4686 admiten salidas de 0.5 a 3.6 V_CC con un error de salida máximo de ±0.5%. Estos reguladores pueden suministrar 18 A a 1 V_CC desde una entrada de 5 V_CC a una temperatura ambiente de +85 °C con un flujo de aire de 400 LFM.

Los diseñadores pueden utilizar el circuito de demostración DC2722A combinado con el software LTpowerPlay para explorar las capacidades de los módulos LTM4686. Para evaluar sólo el regulador, el DC2722A puede encenderse utilizando la configuración predeterminada sin necesidad de comunicación PMBus. La incorporación del software y el dongle PMBus permite a los diseñadores explorar todas las funciones de gestión digital de la energía, incluida la reconfiguración de la pieza sobre la marcha y la visualización de la información de telemetría.

Consideraciones sobre la disposición de la placa

Aunque hay pocas consideraciones eléctricas cuando se ponen en paralelo reguladores μModule para alimentar FPGA, los parámetros relacionados con el espaciado, las vías, los planos de tierra y el flujo de aire son importantes. Afortunadamente, el diseño de la huella LGA simplifica la disposición de los planos de alimentación y tierra y proporciona una sólida conexión térmica a la placa de PC. Colocar cuatro reguladores μModule en paralelo es una simple cuestión de repetir la huella LGA (Figura 7). Salvo en entornos excepcionalmente difíciles, el encapsulado térmicamente mejorado, junto con el plano de alimentación, suele proporcionar una refrigeración adecuada para los módulos.

Figura 7: El tamaño LGA de los reguladores μModule simplifica la conexión en paralelo de varios módulos y mejora el rendimiento térmico. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Conclusión:

Para soportar aplicaciones informáticas de alto rendimiento, las FPGA requieren una gestión precisa y eficiente de la energía con un tiempo de respuesta rápido. Alimentar los numerosos raíles de voltaje de una FPGA es un reto complejo que puede superarse utilizando reguladores CC/CC μModule integrados de Analog Devices. Estos reguladores también proporcionan el rendimiento eléctrico y térmico necesario en paquetes compactos y fácilmente integrables.