Développer des solutions d'alimentation compactes et efficaces pour les FPGA

Les réseaux de portes programmables par l'utilisateur (FPGA) sont de plus en plus utilisés pour prendre en charge le calcul hautes performances dans le traitement des vidéos et des images, les systèmes médicaux, les applications automobiles et aérospatiales, l'intelligence artificielle (IA) et l'apprentissage automatique (ML). L'alimentation d'un FPGA est une fonction complexe et critique qui implique un grand nombre et une grande variété de rails d'alimentation, certains nécessitant jusqu'à 50 ampères (A), rapidement.

Pour le bon fonctionnement du FPGA, les rails d'alimentation doivent être activés et désactivés de manière séquentielle, ils doivent augmenter et baisser de manière monotone, et ils ont besoin d'une grande précision de tension et de réponses transitoires rapides. De plus, les régulateurs CC/CC qui fournissent les différentes tensions doivent être compacts pour pouvoir être placés près du FPGA afin de minimiser les parasites dans les lignes de distribution d'énergie, et ils doivent être efficaces pour minimiser les augmentations de température à proximité du FPGA. Dans certains systèmes, les régulateurs CC/CC doivent être suffisamment fins pour pouvoir être montés sur la face arrière de la carte à circuit imprimé.

Il est certes possible de concevoir des régulateurs CC/CC à haut rendement et hautes performances avec la gestion de l'alimentation numérique intégrée nécessaire, mais le faire dans un format très compact et extra-plat représente un défi considérable. Cela peut entraîner de nombreuses itérations de conception et détourner l'attention du développement du système FPGA, retardant la mise sur le marché et réduisant les performances du système.

Les concepteurs de systèmes d'alimentation FPGA peuvent se tourner vers des régulateurs CC/CC intégrés, entièrement testés et vérifiés, qui incluent tous les composants dans des boîtiers LGA (Land Grid Array) et BGA (Ball Grid Array) compacts et thermiquement efficaces, adaptés à l'intégration directement adjacente au FPGA pour maximiser les performances du système d'alimentation (et du FPGA).

Cet article étudie les besoins de distribution d'alimentation des FPGA, avec l'accent sur la précision de tension, la réponse transitoire et le séquencement de tension. Il détaille également les défis liés à la gestion thermique avec des exemples de fonctionnement. Il présente ensuite des régulateurs CC/CC intégrés adaptés à l'alimentation des FPGA d'Analog Devices, y compris des régulateurs extra-plats qui peuvent être montés au dos du circuit imprimé, ainsi que des cartes d'évaluation et des suggestions d'intégration pour accélérer le processus de conception.

Exigences d'alimentation des FPGA

Les fonctions au sein des FPGA, comme la logique centrale, les circuits d'entrée/sortie (E/S), les circuits auxiliaires et les émetteurs-récepteurs, nécessitent des rails d'alimentation différents. Ces rails sont généralement alimentés par une architecture d'alimentation distribuée avec un ou plusieurs régulateurs CC/CC, également appelés régulateurs de point de charge (POL), pour chaque rail d'alimentation. Bien que la plupart de ces régulateurs utilisent une conversion de puissance à découpage pour un rendement maximum, les circuits sensibles au bruit — tels que les émetteurs-récepteurs — peuvent exiger l'utilisation de régulateurs linéaires à faible chute de tension (LDO).

Dans les petits systèmes, la tension de distribution d'alimentation principale est généralement de 5 ou 12 volts (V) CC (V_CC), ce qui permet d'alimenter directement les POL. Dans les systèmes plus importants, la tension de distribution peut être de 24 ou 48 V_CC. Lorsque des tensions de distribution plus élevées sont utilisées, un régulateur abaisseur est utilisé pour ramener la tension de distribution à 5 ou 12 V_CC sur un bus de tension intermédiaire alimentant les POL. Les POL fournissent les basses tensions requises par les rails d'alimentation FPGA individuels (Figure 1). Chaque rail d'alimentation présente des exigences spécifiques liées à la précision, à la réponse transitoire, au séquencement et à d'autres paramètres.

Figure 1 : Plusieurs régulateurs POL sont nécessaires pour alimenter un FPGA. (Source de l'image : Analog Devices)

Le POL central est généralement la source d'alimentation la plus critique dans un FPGA. L'alimentation principale peut être en dessous de 1 V_CC avec des dizaines d'ampères de courant, et a souvent une exigence de précision de ±3 % ou supérieure pour éviter les erreurs logiques. Par exemple, pour un FPGA avec une spécification de tolérance de tension principale de ±3 %, un régulateur avec une précision de ±1,5 % fournit ±1,5 % supplémentaire pour les transitoires. Si le POL a une bonne réponse transitoire, il fournira des performances solides. Cependant, un régulateur avec une précision de ±2 % peut rendre difficile l'obtention des performances requises. Il n'y a que ±1 % disponible pour la réponse transitoire, ce qui nécessite l'ajout de condensateurs de découplage et peut entraîner des erreurs logiques pendant les transitoires.

Avantages et inconvénients du séquencement

Outre les exigences élevées en matière d'alimentation pendant leur fonctionnement, les FPGA ont besoin que les différents rails d'alimentation soient mis sous et hors tension dans des séquences spécifiques avec un timing précis. Les FPGA modernes sont souvent dotés de nombreux rails d'alimentation organisés en quelques groupes qui peuvent être mis sous et hors tension ensemble. Par exemple, les FPGA Altera Arria 10 d'Intel ont des domaines d'alimentation organisés en trois groupes. Ces groupes doivent être mis sous tension dans l'ordre suivant : Groupe 1 (avec six rails de tension), Groupe 2 (également six rails de tension), Groupe 3 (trois rails), et être mis hors tension dans l'ordre inverse pour éviter d'endommager le FPGA (Figure 2).

Figure 2 : Les FPGA exigent que les rails d'alimentation soient mis sous tension et hors tension dans un ordre précis. (Source de l'image : Analog Devices)

Éviter la surchauffe

Avec autant de régulateurs placés à proximité du FPGA, la gestion thermique est une réelle préoccupation. Analog Devices a assemblé un circuit imprimé pour démontrer certaines options de gestion thermique lors de l'utilisation de plusieurs régulateurs (Figure 3). Les performances thermiques sont influencées par le placement relatif des régulateurs, la direction et la quantité du flux d'air, et la température ambiante.

Figure 3 : Carte de démonstration de gestion thermique pour des régulateurs en parallèle. (Source de l'image : Analog Devices)

Pour la première comparaison, la température est mesurée à sept endroits sur la carte de démonstration ; les emplacements 1 à 4 indiquent la température de surface des modules, et les emplacements 5 à 7 indiquent la température de surface sur le circuit imprimé (Figure 4). Dans les deux thermographes, les modules extérieurs sont plus froids, bénéficiant d'une dissipation thermique plus importante grâce à l'utilisation de la surface du circuit imprimé sur trois côtés, par rapport aux modules centraux qui ne dissipent la chaleur que sur deux côtés. Le flux d'air est également important. Dans le thermographe de gauche, il y a 200 pieds linéaires par minute (LFM) de flux d'air provenant de la face inférieure du circuit imprimé, alors qu'il n'y a aucun flux d'air dans l'image de droite. Les modules et le circuit imprimé avec un flux d'air sont environ 20°C plus frais.

Figure 4 : L'ajout d'un flux d'air de 200 LFM réduit considérablement la température des modules et des circuits imprimés (à gauche). (Source de l'image : Analog Devices)

La direction du flux d'air et la température ambiante sont également importantes. L'utilisation d'un flux d'air de 400 LFM de droite à gauche pousse la chaleur d'un module à l'autre, avec pour résultat que le module le plus froid se trouve à droite, les modules du centre sont les plus chauds, et le module de gauche se situe entre les deux (Figure 5, gauche). Pour essayer de compenser la température ambiante plus élevée, des dissipateurs thermiques ont été placés sur les modules fonctionnant à 75°C. Dans ces conditions extrêmes, les modules sont nettement plus chauds, même avec la dissipation thermique supplémentaire (Figure 5, à droite).

Figure 5 : Impact des températures ambiantes de 50°C (à gauche) et 75°C (à droite) avec un flux d'air de 400 LFM de droite à gauche sur le circuit imprimé. (Source de l'image : Analog Devices)

Boîtiers LGA et BGA pour montage sur face arrière

La gamme LTM4601 de régulateurs CC/CC abaisseurs de 12 A en continu (14 A crête) offre aux concepteurs l'option d'un boîtier LGA de 15 millimètres (mm) × 15 mm × 2,82 mm ou BGA de 15 mm × 15 mm × 3,42 mm. Ces régulateurs affichent une plage de tensions d'entrée de 4,5 à 20 V_CC et peuvent fournir des sorties de 0,6 à 5 V_CC avec marge et suivi et de tension de sortie. Ils présentent une régulation de ±1,5 % et une déviation de crête de 35 mV pour les variations de charges dynamiques de 0 % à 50 % et de 50 % à 0 % de la pleine charge, avec un temps de stabilisation de 25 microsecondes (µs).

Ces régulateurs sont disponibles avec ou sans amplificateur de détection à distance différentiel embarqué pouvant être utilisé pour réguler avec précision une tension de sortie indépendante du courant de charge. Par exemple, le LTM4601IV#PBF est fourni en boîtier LGA, et le LTM4601IY#PBF en boîtier BGA, et tous les deux sont dotés d'un amplificateur de détection à distance différentiel embarqué. Les applications qui n'ont pas besoin de l'amplificateur embarqué peuvent utiliser le LTM4601IV-1#PBF en boîtier LGA ou le LTM4601IY-1#PBF en boîtier BGA. Ces modules sont des régulateurs CC/CC complets, ne nécessitant que des condensateurs d'entrée et de sortie pour répondre à des exigences de conception spécifiques (Figure 6). Le profil extra-plat de ces modules leur permet d'être montés au dos du circuit imprimé.

Figure 6 : Les régulateurs μModule sont des convertisseurs de puissance complets dans des boîtiers thermiquement améliorés. (Source de l'image : Analog Devices)

Analog Devices propose le circuit de démonstration DC1041A-A pour accélérer l'évaluation des régulateurs LTM4601. La tension d'entrée est comprise entre 4,5 et 20 V_CC, et la tension de sortie peut être sélectionnée par cavalier et programmée pour augmenter ou diminuer de manière incidente ou ratiométrique en fonction de la sortie d'un autre module.

Régulateurs ultra-minces

La hauteur de 1,82 mm du boîtier LGA de 16 mm × 11,9 mm du LTM4686 d'Analog Devices permet à ces régulateurs doubles de 10 A ou simples de 20 A d'être placés suffisamment près d'un FPGA pour que les dispositifs puissent partager un dissipateur thermique commun, simplifiant ainsi la gestion thermique. En outre, ces régulateurs s'adaptent au dos du circuit imprimé. La gestion de l'alimentation numérique intégrée utilisant le protocole PMBus prend en charge la configuration à distance et la surveillance en temps réel du courant de sortie, de la tension, de la température et d'autres paramètres. Ces régulateurs sont disponibles pour deux plages de tensions d'entrée : le LTM4686IV#PBF fonctionne de 4,5 à 17 V_CC, et le LTM4686IV-1#PBF de 2,375 à 17 V_CC. Les modules LTM4686 prennent en charge des sorties de 0,5 à 3,6 V_CC avec une erreur de sortie maximum de ±0,5 %. Ces régulateurs peuvent délivrer 18 A à 1 V_CC à partir d'une entrée de 5 V_CC à une température ambiante de +85°C avec un flux d'air de 400 LFM.

Les concepteurs peuvent utiliser le circuit de démonstration DC2722A combiné au logiciel LTpowerPlay pour explorer les capacités des modules LTM4686. Pour évaluer uniquement le régulateur, le DC2722A peut être mis sous tension en utilisant les paramètres par défaut, sans qu'une communication PMBus ne soit nécessaire. L'ajout du logiciel et de la clé PMBus permet aux concepteurs d'explorer toutes les capacités de gestion de l'alimentation numérique, y compris la reconfiguration du composant à la volée et la visualisation des informations de télémétrie.

Considérations de configuration des cartes

Si les considérations électriques sont peu nombreuses lors de la mise en parallèle des régulateurs μModule pour alimenter des FPGA, les paramètres liés à l'espacement, aux traversées, aux plans de masse et au flux d'air sont importants. Heureusement, la conception de l'empreinte LGA simplifie la disposition des plans d'alimentation et de masse et fournit une connexion thermique solide à la carte à circuit imprimé. Pour placer quatre régulateurs μModule en parallèle, il suffit de répéter l'empreinte LGA (Figure 7). Sauf dans des environnements exceptionnellement difficiles, le boîtier thermiquement amélioré, avec le plan d'alimentation, fournit généralement un refroidissement adéquat des modules.

Figure 7 : L'empreinte LGA des régulateurs μModule simplifie la mise en parallèle de plusieurs modules et favorise des performances thermiques améliorées. (Source de l'image : Analog Devices)

Conclusion

Pour prendre en charge les applications de calcul hautes performances, les FPGA requièrent une gestion de l'alimentation précise et efficace avec un temps de réponse rapide. L'alimentation des nombreux rails de tension d'un FPGA est un défi complexe qui peut être relevé grâce aux régulateurs CC/CC μModule intégrés d'Analog Devices. Ces régulateurs offrent également les performances électriques et thermiques requises dans des boîtiers compacts et faciles à intégrer.