Обеспечение требуемой стабильности и мощности питания для ПЛИС модулями Flex Power Modules

В данной статье рассматривается вопрос обеспечения требований к питанию ПЛИС на примере использования DC/DC преобразователей компании Flex Power Modules

Введение

Любой разработчик электронных схем скажет, что такие факторы, как производительность и функциональность, имеют решающее значение в успешных разработках современных электронных проектов. Из опыта разработчиков Flex Power Modules известно, что применение таких устройств, как микроконтроллеры, во многих случаях является достаточным, но также существует множество приложений, которые требуют другого подхода - аппаратной производительности. По этой причине программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) стали очень популярны, но есть и проблема – сложность в обеспечении их питанием требуемых параметров. К счастью, решение может быть достигнуто за счет использования современных моделей DC/DC преобразователей Flex Power Modules - точек нагрузки (PoL) и модулей питания прямого преобразования (Direct Conversion), которые, как показывает статистика, применяют в свих проектах все большее число инженеров-разработчиков. Преимущества ПЛИС по сравнению с ASIC (интегральная схема для выполнения конкретной задачи), разработанными на заказ, хорошо известны и включают в себя более низкую стоимость, широкий диапазон размеров и возможность изменять конфигурацию ячеек. С другой стороны, ПЛИС-ам требуются современные решения для обеспечения и управления питанием. Но насколько же они должны быть современными? Известно, что в некоторых случаях, существует необходимость запитать до 10 отдельных шин, произвести перенастройку напряжения «на лету», большое количество ПЛИС в своих схемах имеют трансиверы, которые требуют перенастройки входного/выходного напряжения «на лету», что, в свою очередь, означает, что система питания должна управляться программным обеспечением (ПО). Хотя токи здесь относительно низкие, растет потребность в том, чтобы модули питания ПЛИС имели подстраиваемые напряжения для питания процессора (вычислительного/графического) при высоких токах, обеспечивая использование динамически регулируемого потребления энергии. Что в свою очередь требует, чтобы главная шина питания также была конфигурируемой. Такая ситуация ставит перед разработчиками еще одну проблему, решением которой служит функция адаптивного масштабирования напряжения (AVS).

Применение преобразователей PoL в системах питания ПЛИС

Общая потребляемая мощность ПЛИС представляет собой сумму потребляемых мощностей нескольких секций ПЛИС, которые содержат статический и динамический элементы с конкретными требованиями к мощности для таких функциональных компонентов, как, например, трансивер или секции ввода/вывода. Статический элемент в основном имеет ток смещения и утечки, в то время как динамический элемент в значительной степени зависит от конкретного конструктива, схемы применения, конфигурации секции ввода-вывода и выбранной тактовой частоты.

Известно, что низкое напряжение является определенной технической проблемой. Используемый диапазон напряжений до 1В, необходимый для питания активной зоны ПЛИС (процессор, элементы логики), в свою очередь требует подачи высоких значений токов, что ведет к создаются больших потерь, и, как можно догадаться, к образованию избыточного тепла. 

С какими проблемами еще нам придется столкнутся? Их довольно много. Например, распределение по шинам питания разных значений напряжения может оказаться затруднительным, как и обеспечить соответствие минимальному и максимальному времени нарастания напряжения при подаче питания. Кроме того, для ПЛИС существует довольно высокое требование к стабильности подаваемого напряжения. Эти требования обеспечиваются за счет установки жестких допусков к напряжению источника питания, повышая тем самым, сложность конструктива модуля питания и, в конечном счете, стоимость проекта. 

Несмотря на все головные боли и трудности, связанные с разработкой систем питания ПЛИС, есть и хорошие новости - новейшие цифровые, неизолированные DC/DC преобразователи PoL,и модули питания прямого преобразования, которые предлагают множество функций, необходимых для их успешного решения. В общем сценарии питания ПЛИС - первая шина питания – это питание ядра, затем шина входного/выходного напряжения и вспомогательная шина. Путем распределения отдельных модулей PoL для каждой шины питания ПЛИС можно сконфигурировать временные задержки (синхронизировать) для параллельной работы модулей питания в соответствии со спецификацией ПЛИС. Чтобы продемонстрировать достоинства этой технологии, разработчики Flex Power Modules определили, что большинство потребностей в питании ПЛИС Virtex Ultrascale + VCXU13P FPGA от Xilinx может быть удовлетворено с помощью PoL- модулей питания производства Flex Power Modules, как цифровых , так и аналоговых , а также модулей питания прямого преобразования (Direct Conversion).

Цифровые и аналоговые модули питания ПЛИС - PoL

Цифровые PoL

Возьмем модуль питания BMR467. Он обеспечивает питание основного ядра напряжением 0,85 В / током 100 А, максимальное значение выходного тока до 120 А в диапазоне напряжений от 0,6 В до 1,8 В, что соответствует требованиям по питанию ПЛИС, даже для версии Vlow с Vccint, работающих на 0,72 В. Физические размеры модуля BMR467 - 50,8 мм x 19,05 мм x 10,4 мм, что позволяет разместить его на плате вблизи ПЛИС, минимизируя длину проводников, по которым протекает ток величиной значения до 120А. Еще одно решение от Flex Power Modules – модуль питания BMR461. Следует отметить, что функционально BMR461 может быть сконфигурирован, в зависимости от приложения, в котором он используется, с одним или двумя выходами, что означает, что одно устройство может одновременно запитать две различные шины ПЛИС, экономя затраты на дополнительные электронные компоненты и площади платы. В Таблицах 1 и 2 показаны цифровые преобразователи PoL для питания ПЛИС и их основные параметры:

Табл. 1    Цифровые преобразователи PoL

Табл.2 Основные параметры цифровых PoL для питания ПЛИС

Цифровые PoL обеспечивают программное управление выходным напряжением, поддерживающее напряжение ядра и входного/выходного напряжения от 0.6V до 5,5 В. Кроме того, встроенная система адаптивного масштабирования напряжения AVS по шине управления PMBus позволяет разработчикам оптимизировать и значительно снизить энергопотребление. Хочется отметить, что цифровые PoL с шиной PMBus, разработаны на основе схемы с контуром управления, благодаря которой обеспечивается быстрой отклик на переходные процессы, что делает их идеальным решением для отработки происходящих изменений в работе нагрузки, типичных для приложений с ПЛИС. Основные параметры конфигуриуютс по шине управления PMBus, так же некоторые типы модулей питания  PoL имеют функцию динамической компенсации.

Аналоговые PoL

 По отношению к цифровым, аналоговым преобразователям PoL характерны менее широкий диапазон выходных токов, более крупные размеры и более низкое значение КПД (ниже на 3–7% в зависимости от изделия), а также универсальный диапазон входных напряжений 3 В–36 В постоянного тока. В Табл.3 и Табл.4 приведены аналоговые преобразователи PoL для питания ПЛИС и их основные параметры:

Табл. 3  Аналоговые преобразователи PoL

Табл.4 Основные параметры аналоговых PoL для питания ПЛИС

Модули питания ПЛИС прямого преобразования ( Direct Conversion )

Модули питания Direct Conversion – ​это модульные DC/DC преобразователи, понижающие стандартное входное напряжение 48 или 54 В до уровня 0,6–1,8 В, в зависимости от типа нагрузки. Основное назначение модулей Direct Conversion – ​обеспечение питанием процессоров (CPU), графических процессоров (GPU), ПЛИС (FPGA) и памяти. Как и многие современные преобразователи, модули Direct Conversion поддерживают интерфейсы PMBus, AVS, VR13 и IBM Intel Power9 (P9), которые позволяют выполнять настройку, управление и контроль параметров системы питания. В Табл.5 и Табл.6 приведены модули питания ПЛИС прямого преобразования (Direct Conversion) и их основные параметры:

Табл.5.     Модули питания прямого преобразования для питания ПЛИС

Табл.6   Основные параметры модулей питания прямого преобразования BMR481 и BMR482

Программное обеспечение Power Design обеспечивает оптимизацию рабочих параметров

Те, кто стремится максимально использовать потенциал высокомощных модулей питания Flex Power Modules и, соответственно ПЛИС, определенно выиграют используя программное обеспечения Flex Power Designer, бесплатного инструмента для виртуального проектирования систем питания. Все параметры модулей питания могут быть сконфигурированы с помощью этого программного обеспечения, которое также позволяет отслеживать заданные рабочие параметры модуля питания, создавать графики важных параметров, таких, например, как изменение температуры в зависимости от времени. Фактически, внедрено тепловое моделирование, уникальная функция для программного обеспечения такого типа. В конечном счете, появление новейших преобразователей PoL, модулей питания прямого преобразования и связанного с ними программного обеспечения означает, что разработка решений по энергоснабжению для новейших ПЛИС, с их сложными требованиями к большому количеству шин питания, потребностями в синхронизации и высоким мощностям, является гораздо менее сложной, чем когда-либо ранее. Новые версии Flex Power Designer включают в себя эталонный инструмент проектирования для ПЛИС (FPGA) Xilinx, который автоматически предлагает подходящие модули питания. Flex Power Modules ведет постоянную работу по оптимизации производительности и стоимости продукции.  В данном ПО реализована функция проектирования систем питания для ПЛИС Xilinx, позволяющая выполнять более простое и точное моделирование с учетом потребностей конкретных моделей ПЛИС Xilinx. В 2021г. Flex Power Modules стал партнером XILINX в разработке модулей питания ПЛИС. 

На сегодняшний день Flex Power Modules выпускает широкий модельный ряд модулей питания для ПЛИС по согласованным и одобренным Xilinx спецификациям и требованиям, поэтому применение преобразователей Flex Power Modules гарантирует надежную и стабильную работу разрабатываемых систем питания для проектов различных приложений с использованием ПЛИС. Воплощенный в готовые изделия опыт Flex Power Modules и предлагает применить в своих решениях российским разработчикам электроники.