Como desenvolver soluções de alimentação compactas e eficientes para FPGAs

As matrizes de portas programáveis de campo (FPGAs) estão sendo cada vez mais usadas para suportar a computação de alto desempenho em processamento de vídeo e imagem, sistemas médicos, aplicações automotivas e aeroespaciais, inteligência artificial (IA) e aprendizagem de máquinas (ML). Alimentar uma FPGA é uma função complexa e crítica que envolve um grande número e variedade de trilhas de alimentação, com algumas precisando de até 50 amperes (A), rapidamente.

Para a operação adequada de uma FPGA, as trilhas de alimentação precisam ser ligadas e desligadas em sequência, precisam subir e descer monotonicamente, necessitam de precisão nas altas tensões e respostas rápidas a transientes. Além disso, os reguladores de corrente contínua para corrente contínua (CC/CC) que fornecem as diversas tensões precisam ser pequenos para que possam ser colocados perto da FPGA para minimizar os parasitas nas linhas de distribuição de alimentação e devem ser eficientes para minimizar as elevações de temperatura nas proximidades da FPGA. Em alguns sistemas, os reguladores CC/CC devem ser suficientemente finos para serem montados na parte de trás da placa de circuito impresso (placa pci).

Embora seja possível projetar reguladores CC/CC de alta eficiência e alto desempenho com o necessário gerenciamento de alimentação digital integrado, fazê-lo em um formato muito compacto e de baixo perfil é um desafio tremendo. Pode resultar em numerosas iterações de projeto e se tornar uma distração do projeto do sistema FPGA, aumentando o tempo de colocação no mercado e reduzindo o desempenho do sistema.

Os projetistas de sistemas de alimentação FPGA podem recorrer a reguladores CC/CC integrados totalmente testados e verificados que incluem todos os componentes em pacotes compactos e termicamente eficientes de LGA (land grid array) e BGA (ball grid array), que são adequados para integração diretamente adjacente à FPGA para maximizar o desempenho do sistema de alimentação (e da FPGA).

Este artigo analisa as necessidades de fornecimento de alimentação das FPGAs com foco na precisão da tensão, resposta a transientes e sequenciamento de tensão, além de detalhar os desafios relacionados ao gerenciamento térmico com exemplos operacionais. Em seguida, apresenta reguladores CC/CC integrados adequados para a alimentação FPGA da Analog Devices, incluindo reguladores de baixo perfil que podem ser montados na parte de trás da placa pci, juntamente com placas de avaliação e sugestões de integração para acelerar o processo de projeto.

Requisitos de alimentação da FPGA

Funções dentro das FPGAs como a lógica central, circuitos de entrada/saída (E/S), circuitos auxiliares e transceptores requerem trilhas de alimentação diferentes. Esses são normalmente fornecidos usando uma arquitetura de alimentação distribuída com um ou mais reguladores CC/CC, também chamados de reguladores de ponto de carga (POL) para cada trilho de alimentação. Enquanto a maioria desses reguladores usa conversão de alimentação chaveada para máxima eficiência, os circuitos sensíveis ao ruído — como os transceptores — podem exigir o uso de reguladores lineares de baixa queda de tensão (LDO).

Em sistemas pequenos, a tensão de distribuição de alimentação é geralmente de 5 ou 12 volts CC (V_CC), o que pode alimentar diretamente os POLs. Em sistemas maiores, a tensão de distribuição pode ser de 24 ou 48 V_CC. Quando são usadas tensões de distribuição mais altas, um regulador abaixador é usado para baixar a tensão de distribuição para 5 ou 12 V_CC em um barramento de tensão intermediário que alimenta os POLs. Os POLs fornecem as baixas tensões requeridas pelas trilhas de alimentação individuais da FPGA (Figura 1). Cada trilha de alimentação tem requisitos específicos relacionados à precisão, resposta a transiente, sequenciamento e outros parâmetros.

Figura 1: vários reguladores POL são necessários para alimentar uma FPGA. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O POL principal é geralmente a fonte de alimentação mais crítica em uma FPGA. A alimentação principal pode estar abaixo de 1 V_CC com dezenas de amperes de corrente e, muitas vezes, ter um requisito de precisão de ±3% ou melhor para evitar erros lógicos. Por exemplo, para uma FPGA com uma especificação de tolerância da tensão principal de ±3%, um regulador com uma precisão de ±1,5%, disponibiliza outro ±1,5% para transientes. Se a POL tiver uma boa resposta a transientes, isso proporcionará um desempenho sólido. No entanto, um regulador com uma precisão de ±2% pode fazer com que seja um desafio alcançar o desempenho necessário. Há apenas ±1% disponível para a resposta a transientes, exigindo a adição de capacitores de bypass e podendo levar a erros lógicos durante os transientes.

As subidas e descidas do sequenciamento

Além das exigências de alimentação durante sua operação, as FPGAs precisam das várias trilhas de alimentação para ligar e desligar em sequências específicas e em um tempo preciso. As FPGAs modernas têm muitas vezes várias trilhas de alimentação organizadas em alguns grupos que podem ser ligados e desligados juntos. Por exemplo, as FPGAs Altera Arria 10 da Intel têm domínios de alimentação organizados em três grupos. Esses grupos devem energizar ordenadamente do Grupo 1 (com seis trilhas de tensão) ao Grupo 2 (também seis trilhas de tensão) e ao Grupo 3 (três trilhas), e desenergizar na sequência inversa para evitar danos à FPGA (Figura 2).

Figura 2: as FPGAs requerem que as trilhas de alimentação sejam energizadas e desenergizadas em uma sequência específica. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Mantendo-a fria

Com tantos reguladores colocados perto da FPGA, a gestão térmica é uma preocupação. A Analog Devices montou uma placa pci para demonstrar algumas opções de gerenciamento térmico ao utilizar múltiplos reguladores (Figura 3). O desempenho térmico é impactado pela posição relativa dos reguladores, pela direção e quantidade do fluxo de ar e pela temperatura ambiente.

Figura 3: placa de demonstração de gerenciamento térmico para reguladores colocados em paralelo. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Para a primeira comparação, a temperatura é medida em sete locais na placa de demonstração; os locais 1 a 4 mostram a temperatura da superfície dos módulos e os locais 5 a 7 mostram a temperatura da superfície na placa pci (Figura 4). Em ambos os termógrafos, os módulos externos são mais frios, beneficiando-se da maior dissipação proporcionado pelo uso da área da placa pci em três lados, em comparação com os módulos centrais que só dissipam o calor em dois lados. O fluxo de ar também é importante. No termógrafo da esquerda, há um fluxo de ar de 200 pés lineares por minuto (LFM) vindo do fundo da placa pci, comparado com nenhum fluxo de ar na imagem da direita. Os módulos e a placa pci com fluxo de ar são cerca de 20 °C mais frios.

Figura 4: a adição de um fluxo de ar de 200 LFM reduz significativamente as temperaturas do módulo e da placa pci (esquerda). (Fonte da imagem: Analog Devices)

A direção do fluxo de ar e a temperatura ambiente também são importantes. Usar um fluxo de ar de 400 LFM da direita para a esquerda empurra o calor de um módulo para outro, o que resulta em que o módulo que está à direita seja o mais frio, os módulos centrais sejam os mais quentes e o módulo da esquerda esteja entre eles (Figura 5, esquerda). Para tentar compensar a temperatura ambiente mais alta, foram colocados dissipadores de calor nos módulos que operam a 75 °C. Sob essa condição extrema, os módulos estão significativamente mais quentes, mesmo com os dissipadores de calor adicionais (Figura 5, direita).

Figura 5: o impacto de 50 °C (esquerda) e 75 °C (direita) de temperatura ambiente com fluxo de ar de 400 LFM da direita para a esquerda cruzando a placa pci. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Pacotes LGA e BGA para montagem na parte traseira

A família LTM4601 de reguladores CC/CC de 12 A contínuos (14 A de pico) oferece aos projetistas a opção de um LGA de 15 × 15 × 2,82 milímetros (mm) ou um pacote BGA de 15 × 15 × 3,42 mm. Eles têm uma faixa de tensão de entrada de 4,5 a 20 V_CC e podem fornecer saídas de 0,6 a 5 V_CC com rastreamento e controle de tolerância da tensão de saída. Eles apresentam uma regulagem de ±1,5% e um desvio de pico de 35 mV para mudanças de carga dinâmica de 0% a 50% e de 50% a 0% da carga total, com um tempo de estabilização de 25 microssegundos (µs).

Esses reguladores estão disponíveis com e sem um amplificador diferencial de sensor remoto embarcado que pode ser usado para regular com precisão uma tensão de saída independente da corrente de carga. Por exemplo, o LTM4601IV#PBF está em um LGA, e o LTM4601IY#PBF está em um BGA, e ambos têm um amplificador diferencial de sensor remoto embarcado. As aplicações que não precisam do amplificador embarcado podem usar o LTM4601IV-1#PBF em um LGA ou o LTM4601IY-1#PBF em um BGA. Esses módulos são reguladores CC/CC completos, necessitando apenas de capacitores de entrada e saída para atender às exigências específicas de projeto (Figura 6). O perfil baixo desses módulos permite que eles sejam montados na parte de trás da placa pci.

Figura 6: reguladores μMódulo são conversores de alimentação completos em pacotes termicamente melhorados. (Fonte da imagem: Analog Devices)

A Analog Devices oferece o circuito de demonstração DC1041A-A para avaliação da velocidade dos reguladores LTM4601. Ele tem uma faixa de tensão de entrada de 4,5 a 20 V_CC e uma tensão de saída que pode ser selecionada por jumper, bem como programável, para subir e descer coincidentemente ou radiometricamente, rastreando a saída de outro módulo.

Reguladores ultrafinos

A altura de 1,82 mm do pacote LGA de 16 × 11,9 mm do LTM4686 da Analog Devices permite que esses reguladores duplos de 10 A ou simples de 20 A sejam colocados suficientemente perto de uma FPGA para que os dispositivos possam compartilhar um dissipador de calor comum, simplificando o gerenciamento térmico. Além disso, esses reguladores cabem na parte de trás da placa pci. O gerenciamento de alimentação digital integrado usando o protocolo PMBus suporta configuração remota e monitoramento em tempo real da corrente de saída, tensão, temperatura e outros parâmetros. Esses reguladores estão disponíveis para suportar duas faixas de tensão de entrada; o LTM4686IV#PBF opera de 4,5 a 17 V_CC e o LTM4686IV-1#PBF de 2,375 a 17 V_CC. Os módulos LTM4686 suportam saídas de 0,5 a 3,6 V_CC com ±0,5% de erro máximo de saída. Esses reguladores podem fornecer 18 A a 1 V_CC a partir de uma entrada de 5 V_CC a +85 °C ambiente com um fluxo de ar de 400 LFM.

Os projetistas podem usar o circuito de demonstração DC2722A combinado com o software LTpowerPlay para explorar os recursos dos módulos LTM4686. Para avaliar apenas o regulador, o DC2722A pode ser ligado usando as configurações padrão sem a necessidade de comunicação PMBus. A adição do software e do PMBus dongle permite aos projetistas explorar os recursos completos de gerenciamento de alimentação digital, incluindo a reconfiguração da peça em tempo real e a visualização de informações de telemetria.

Considerações sobre o layout da placa

Embora haja poucas considerações elétricas ao colocar em paralelo reguladores μMódulo para alimentar FPGAs, os parâmetros relacionados ao espaçamento, vias, planos terra e fluxo de ar são importantes. Felizmente, o projeto da pegada LGA simplifica o layout dos planos de alimentação e terra e fornece uma sólida conexão térmica à placa pci. A colocação de quatro reguladores μMódulo paralelos é uma questão simples de repetir a pegada LGA (Figura 7). Exceto para ambientes excepcionalmente desafiadores, o pacote termicamente melhorado, juntamente com o plano de alimentação, normalmente fornece refrigeração adequada para os módulos.

Figura 7: a pegada LGA dos reguladores μMódulo simplifica a colocação em paralelo de vários módulos e suporta um melhor desempenho térmico. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Conclusão

Para suportar aplicações de computação de alto desempenho, as FPGAs requerem um gerenciamento de alimentação preciso e eficiente com um tempo de resposta rápido. Alimentar as várias trilhas de tensão em uma FPGA é um desafio complexo que pode ser enfrentado utilizando reguladores μMódulo CC/CC integrados da Analog Devices. Esses reguladores também disponibilizam o desempenho elétrico e térmico necessários em embalagens compactas e facilmente integradas.