Referentieontwerpen vereenvoudigen FPGA-energiebeheer

Apparaten die zijn uitgerust met energiebeheer-IC's (PMIC's) zijn doorgaans slimmer en efficiënter, omdat ze de energiestroom van binnen en van buiten het apparaat regelen. PMIC's helpen deze apparaten om energie efficiënter te gebruiken en tegelijkertijd hun levensduur te verlengen. Daarom neemt de vraag naar dergelijke componenten snel toe.

Een van de meest kritische factoren in een op FPGA gebaseerd systeem is energiebeheer. Het aansturen van een FPGA vereist een zorgvuldige systeemanalyse en dezelfde techniek kan bijna altijd worden gebruikt voor een ASIC.

Ingenieurs besteden het grootste deel van hun tijd aan programmeren en willen geen tijd en energie verspillen aan het ontwerpen van de juiste voedingen. In feite is de beste benadering voor vermogensafgifte het gebruik van een robuust, flexibel en getest ontwerp dat voldoet aan de vereisten en kan worden geschaald met het ontwerp.

De spanning die de FPGA-kern voedt, is onderhevig aan grote stroomvariaties die worden gekenmerkt door extreem hoge zwenksnelheden. Dit vereist dat de controller stroomstappen kan leveren aan de belasting terwijl veranderingen in de uitgangsspanning worden geminimaliseerd.

Meerdere stroomrails, power-up sequencing, krappe toleranties, tijdelijke respons, systeembetrouwbaarheid, totale oplossingskosten en grootte - dit zijn dingen waar ontwerpers zich zorgen over maken bij het aandrijven van een FPGA. Een manier om deze uitdagingen aan te gaan, is door een referentieontwerp te gebruiken.

Meest recent heeft Renesas Electronics drie PMIC-referentieontwerpen uitgebracht voor het aandrijven van de meerdere voedingsrails van Xilinx FPGA's. De referentieontwerpen zorgen voor eenvoudig beheer van railvoeding in de Xilinx Artix-7 FPGA-, Spartan-7 FPGA- en Zynq-7000 SoC-systemen. Renesas' BGA-verpakte oplossingen zijn gebaseerd op meerfasige PMIC's en bieden gebruiksvriendelijke kant-en-klare oplossingen waarmee een enkel project verschillende graden van Xilinx-snelheid en DDR-geheugentypes zoals DDR3, DDR3L, DDR4, LPDDR2 en LPDDR3 kan ondersteunen.

De drie referentieontwerpen — ISL91211A-BIK-REFZ, ISL91211A-BIK-REFZ en ISL91211AIK-REFZ — zijn gebaseerd op Renesas' ISL91211AIK en ISL91211BIK PMIC's in BGA-pakketten.

Het ISL91211A-BIK-REFZ-referentie-ontwerpbord voor Artix-7-apparaten maakt gebruik van de ISL91211AIK en ISL91211BIK meerfasige PMIC's, ISL80030 3-A synchrone buck DC/DC-converter en ISL21010DFH312 micropower-spanningsreferentie. De PMIC's leveren een efficiëntie tot 95% voor meerdere stroomrails en ze accepteren 5-V-invoer van een plug-in AC/DC-adapter of DC-voeding. De ISL80030 ondersteunt VCCO en VCC_IO voor 3,3 V, 2,5 V en 1,8 V, en de ISL21010DFH312 is voor een XADC-ingangsspanning van 1,25 V met een nauwkeurigheid van ± 0,2%.

Het ISL91211BIK-REF2Z-referentie-ontwerpbord voor Spartan-7-apparaten maakt gebruik van de ISL91211BIK meerfasige PMIC en ISL80030 3-A synchrone buck DC/DC-converter. De ISL91211BIK is vereist voor VCCINT, VCCBRAM, VCC_DDR, VCCAUX en VTT en accepteert 5-V-invoer van een plug-in AC/DC-adapter of DC-voeding. De ISL80030 DC/DC-converter ondersteunt VCCO en VCC_IO voor 3,3-V, 2,5-V en 1,8-V-rails.

Figuur 1:Referentieontwerp voor Spartan 7 (Afbeelding:Renesas)

Het ISL91211AIK-REFZ-referentie-ontwerpbord voor Zynq-7000-apparaten maakt gebruik van de ISL91211AIK meerfasige PMIC, ISL9123 low-Iq buck-regelaar en twee ISL80030 3-A synchrone buck DC/DC-converters. De ISL91211AIK is vereist voor VCCINT, VCCBRAM, VCC_DDR en VCCAUX. De ISL9123 voedt de VTT-stroomrail en twee ISL80030 DC/DC-converters ondersteunen VCCO en VCC_IO voor 3,3-V, 2,5-V en 1,8-V-rails.

De oplossingen kunnen een totale uitgangsstroom van maximaal 20 A leveren en zijn uitgerust met onafhankelijke dynamische spanningsschaling, waardoor de ontwikkeling van voedingen voor een verscheidenheid aan industriële toepassingen, zoals motorbesturing, machine vision-camera's en programmeerbare logische controllers ( PLC's). Hun afgestemde stuurfeedback ondersteunt optimaal de belastingsprofielen van Xilinx FPGA's en kan intern aan/uit-sequencing beheren zonder extra algoritmen. Ze kunnen ook worden gebruikt in gateways en apparaten voor thuisgebruik, draagbare medische apparaten en draadloze apparatuur.

Door de toepassing van een schakelfrequentie van 2 MHz en een snelle transiënte respons bij belasting kan elk PMIC-bord 22 µF uitgangscondensatoren en een kleine inductor gebruiken om de oplossing te verkleinen. PMIC's zijn verkrijgbaar in 4,7 × 6,3 mm, 35-ball BGA met pakketten met een spoed van 0,8 mm.

Beide meerfasige PMIC's bieden de R5-modulatietechnologie van Renesas, die extreem snelle transiënten mogelijk maakt en de uitgangsspanningen dynamisch kan veranderen om de systeemprestaties en efficiëntie te verbeteren. De R5-controllertechnologie is een gepatenteerde modulatietechniek die volgens Renesas de snelste reactie biedt op veranderende uitgangsbelastingsomstandigheden.

Figuur 2:Vereenvoudigd diagram van de R5-technologie van Renesas (Afbeelding:Renesas)

Renesas noemt de R5-technologie de volgende evolutie van zijn unieke huidige-mode hysteretische controller met verbeterde bandbreedte en lagere Iq dan eerdere implementaties.

Figuur 3:efficiëntie van R5-modulatietechnologie (Afbeelding:Renesas)

De R5-modulator werkt met behulp van een hysteretisch venster en een synthetisch stroomsignaal zoals aangegeven in Fig. 4 als videorecorder De synthetische helling is een weergave van de golfvorm van de inductor zonder dat de inductorstroom direct hoeft te worden gedetecteerd.

Figuur 4:R5-controller in voorbijgaande toestand (Afbeelding:Renesas)

In stationaire toestand wordt het venster aangestuurd met als doel een constante schakelfrequentie te hebben met een constante inschakelduur. Door de positie van het venster kan de lus beter reageren op een dynamische belasting dan een modulatieschema met vaste frequentie. De R5-modulator verhoogt de efficiëntie van de belasting door een stroomspeling in de MOSFET.

Ook vertrouwt de R5-modulator niet op een vaste klok om PWM-pulsen in te stellen of te resetten. Daarom kan het natuurlijk de pulsen overslaan als dat nodig is. Wanneer de belastingsstroom erg licht is, wordt de schakelfrequentie van de lus verlaagd, waardoor de schakelverliezen drastisch worden verminderd.

Alle referentieontwerpborden worden geleverd met een gebruikershandleiding, een volledig schema, een materiaallijst en PCB-lay-outbestanden. Ze zijn beschikbaar via het distributienetwerk van Renesas.