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Sistemi di alimentazione per FPGA

I sistemi  basati  su fpga beneficiano delle soluzioni complete cc/cc in un formato da circuito integrato.I miglioramenti nelle geometrie dei processi delle FPGA e configurazioni di progetto più flessibili, oltre all’evoluzione dei sistemi che li incorporano, hanno permesso ai produttori di FPGA di penetrare mercati un tempo monopolizzati dai fornitori di microprocessori e ASIC.

Sebbene la natura versatile e configurabile di questi dispositivi sia considerata interessante dai progettisti dei sistemi, la complessità delle regole di progettazione che governano il  funzionamento interno di questi componenti e i protocolli delle loro interfacce esterne richiedono una preparazione profonda, la valutazione delle schede di riferimento e varie simulazioni e verifiche del progetto. Di conseguenza,  i produttori di FPGA forniscono supporto hardware e firmware per aiutare gli sviluppatori di sistemi a vincere le nuove sfide dell’ambiente digitale. Le implicazioni del dominio analogico, in particolare nell’ambito dei regolatori CC/CC per il “core”, gli I/O, la memoria,  i clock ed altri livelli di tensione, richiedono tuttavia nuove soluzioni. Per i costruttori di sistemi CC/CC è giunto il momento di alzare il livello delle prestazioni  dei loro prodotti.

Gestione  di più livelli di tensione

Le generazioni di FPGA meno recenti richiedono due o tre livelli di alimentazione. Alcuni dispositivi di fascia alta a più “core” possono necessitare addirittura di 7 livelli; un mix di potenza da 3,3 V e tensioni inferiori comprese nell’intervallo tra 2,8 V e 1,0 V e inferiore. Esiste inoltre una combinazione di più livelli per dispositivi diversi dagli FPGA, come ad esempio le memorie, i processori di rete, i processori grafici, i convertitori  digitali-analogici  e analogico-digitali, oltre agli amplificatori operazionali e ai circuiti integrati RF. Assicurare l’avvio “pulito” di un sistema con più livelli di tensione senza che uno di essi entri in conflitto con gli altri è il compito principale di un regolatore CC/CC provvisto di funzioni di sequencing e tracking. In termini semplici, ciascun regolatore deve essere in grado di riconoscere la tensione di uscita degli altri. La buona notizia è che da qualche anno le FPGA non richiedono più il sequencing tra le varie tensioni. Tuttavia, le funzioni di rampup o ramp-down sequenziale delle tensioni su più sezioni diverse nello stesso sistema sono ancora necessarie per prevenire possibili disinserimenti che possono verificarsi quando un livello di tensione si presenta in modo troppo rapido o lento. In passato le funzioni di tracking e sequencing dei livelli di potenza si trovavano su un circuito integrato di gestione della tensione separato. Oggi i progettisti richiedono che le funzioni di sequencing e tracking siano incorporate nei regolatori, in particolare quando questi dispositivi devono essere posizionati in punti diversi del sistema.

Regolazione di Vt bassa e veloce  distribuzione di elevate correnti agli I/O

I  nodi I/O veloci richiedono spesso la massima potenza in un’applicazione basata su FPGA. È molto frequente vedere tensioni di I/O di 1,8 V e 2,5 V creare carichi di decine di ampere.  I sistemi di fascia alta richiedono la progettazione di alimentatori da 40-80 A per gli I/O. Per la logistica dalla progettazione della scheda, il regolatore  CC/CC deve essere posizionato lontano dal carico e richiede un lunga traccia della scheda dall’uscita fino al punto di regolazione. Ad alti livelli della corrente di carico, le tracce della scheda introducono un errore di tensione che corrisponde al valore della corrente di carico (I) moltiplicata per l’impedenza (R) della traccia. L’errore di tensione IxR è diventato problematico, poiché le tensioni di carico sono diminuite e le correnti di carico sono aumentate. Per esempio, una caduta IxR di 200 mV per un livello da 3,3 V produce un errore del 6%, mentre un livello da 1,2 V introduce un errore del 17%. Quindi, sebbene un regolatore CC/CC possa essere impostato in modo da regolare un’uscita da 1,2 V, il carico vedrà solo 1,0 V a causa della caduta di tensione IxR. I processi odierni a 90 e a 65 nanometri dove Vt  e le prestazioni delle FPGA dipendono dalla precisione dei livelli di alimentazione, un errore del 17% può facilmente peggiorare le prestazioni. Per esempio, una differenza di 100mV su Vt può scalare la dispersione di corrente di un fattore 10 o superiore. I regolatori  CC/CC standard forniscono la regolazione di precisione ma solo se il carico è molto vicino all’uscita. Non possono compensare la caduta di tensione IxR. La correzione dell’errore deve essere gestita con l’ausilio di un amplificatore remoto. La massima regolazione è possibile con il rilevamento  remoto differenziale del carico, cosa che richiede un amplificatore operazionale e resistori di precisione. Un regolatore ideale dovrebbe for nire una precisione superiore a ±1,5% sul carico anche in un intervallo di temperature comprese tra -40ºC e 85ºC. Questa precisione può essere insignificante per un livello da 3,3 V dove i circuiti integrati possono sopportare una variazione di ±0,5 V ma un dispositivo da 90 nm o 65nm con livelli da 1,8 V, 1,0 V o 0,9 V richiede una precisione superiore. Una volta che l’utente ha impostato la tensione di uscita, il rilevamento differenziale remoto adatta automaticamente la tensione regolata al carico compensando la caduta di tensione IxR sulla traccia della scheda per un’ampia gamma di correnti di carico. Di conseguenza, la regolazione è molto precisa quando il sistema è in modalità standby, o a piena velocità quando la corrente di carico e la caduta di tensione IxR sono al massimo.

Riduzione del ripple  di tensione  in uscita  & requisiti dei condensatori

Nelle applicazioni non portatili, con il ridursi dei valori di tensione e l’aumentare delle correnti, la dissipazione di calore e l’efficienza operativa assumono maggiore importanza nella scelta di un regolatore CC/CC. Nelle applicazioni portatili, sebbene la corrente di carico per linea sia inferiore, l’efficienza operativa e di standby sono ancora fattori importanti per quanto riguarda la conservazione dell’energia della batteria e la semplificazione della gestione termica del dispositivo portatile. Un regolatore CC/CC a commutazione rappresenta una soluzione a prestazioni superiori rispetto a un regolatore lineare nelle applicazioni portatili e non, soprattutto in caso di elevati requisiti di potenza. Per esempio, un regolatore a commutazione che fornisce 1,2 V a 5 A da un ingresso a 3,3 V ha un’efficienza del 90% rispetto all’efficienza del 36% di un regolatore lineare; inoltre, mentre un regolatore a commutazione dissipa 0,7 W, il regolatore lineare dissipa 10,5 W. Per contro, un regolatore a commutazione introduce rumore di commutazione e un più ampio “ripple” in uscita (ripple peak-to-peak della tensione di uscita) intrinseco a questa modalità di funzionamento. Purtroppo i livelli di tensione dei nuovi FPGA “eye diagram” sempre più stretti per i segnali di I/O veloci tollerano sempre meno il “rumore” dell’alimentatore. Per ridurre il ripple, è possibile aggiungere al circuito altri condensatori di ingresso e di uscita per smorzarne i picchi. Lo smorzamento del rumore di commutazione è un’operazione più complessa. Un possibile approccio consiste nel sincronizzare la frequenza operativa del regolatore CC/CC ad un clock esterno che forza il regolatore  ad operare all’interno di una frequenza definita, selezionata per avere un’interferenza minima con altri componenti del sistema sensibili al rumore. Questo metodo è efficace soprattutto nei caso in cui più regolatori a commutazione siano sincronizzati su una frequenza di clock sicura per il resto del sistema. Questi metodi consentono di progettare regolatori a commutazione meno rumorosi. Il problema del rumore può essere notevolmente ridotto se il  regolatore CC/CC è progettato con l’architettura, le funzioni e il layout appropriati. Un regolatore di questo tipo riduce al minimo la dipendenza da condensatori, filtri e schermatura EMI (electro-magnetic interference).

Riduzione dell’altezza per un migliore passaggio  dell’aria

La necessità di ridurre le dimensioni di un sistema basato su FPGA aumentandone contemporaneamente la funzionalità, la capacità di memoria o la potenza di calcolo, ha imposto ai progettisti di perfezionare le tecniche utilizzate per raffreddare i componenti. Un metodo semplice consiste nel sottoporre i componenti ad un efficace flusso. L’altezza dei componenti ostruisce il flusso verso i package più sottili, come ad esempio le FPGA o le memorie. Nel caso di regolatori CC/CC prefabbricati di tipo “point of load”, l’ostruzione è rilevante perché questi dispositivi raggiungono un’altezza 6-10 volte quella dell’FPGA e di altri circuiti integrati.Il sottile package BGA degli FPGA è utile per l’efficace dissipazione del calore generato internamente dalla parte superiore del package. Questo vantaggio si riduce quando un dispositivo più alto, come per esempio un regolatore CC/CC prefabbricato inibisce il passaggio dell’aria e proietta un’ “ombra” sul dispositivo vicino.

Regolatori µModule

Prendiamo in considerazione un sistema CC/CC completo a commutazione che includa MOSFET on board, induttori, condensatori, controllore CC/CC e circuito di compensazione in un package che assomiglia a un circuito integrato per montaggio superficiale con un layout semplice e che necessiti solo di condensatori di bulk e di una resistenza per impostare la tensione di uscita (figura 1). Questo sistema CC/CC potrebbe essere pre-assemblato prestando attenzione al layout e al packaging in modo tale da ottenere prestazioni elettriche e termiche ottimali. Il controllo del commutatore CC/CC dovrebbe essere in corrente per ottenere rapide risposte ai transitori con un numero contenuto di condensatori di uscita. Sincronizzabili ad un clock esterno, alcuni di questi possono essere installati in parallelo per fornire corrente elevata e ridurre nel contempo l’interferenza del rumore di commutazione e il rumore del ripple in uscita. Per la nuova generazione di regolatori CC/CC dovrebbe essere previsto un package leggero e di piccole di mensioni per il  montaggio superficiale che assicuri un assemblaggio su scheda più semplice e compatto. L’altezza (profilo) del package dovrebbe essere ridotta per consentire  il flusso d’aria tra il package stesso e i circuiti integrati vicini. Questa nuova generazione di regolatori µModule CC/CC Linear Technology, include una famiglia di dispositivi con capacità di corrente di uscita compresa tra 6 e 12 A con un intervallo di ingresso compreso tra 4,5 V e 28 V e un range di uscite da 0,6 V a 5 V (Tabella 1).

TABELLA 1- PRODOTTI MODULE CC/CC DI PICCOLE DIMENSIONI PER SISTEMI BASATI SU FPGA

TABELLA 1- PRODOTTI MODULE CC/CC DI PICCOLE DIMENSIONI PER SISTEMI BASATI SU FPGA

Alcuni tra i più completi regolatori µModule includono funzioni quali il tracking per l’accensione e lo spegnimento corretti per sistemi basati su FPGA con più livelli di tensione. Persino l’induttore è schermato per ridurre le interferenze elettromagnetiche. Con la funzione di margining, un progettista di sistema può regolare con precisione la tensione per migliorare le prestazioni dell’FPGA e del resto del sistema, oltre che migliorarne la resa durante le fasi di assemblaggio e di test. La figura 2 mostra un sistema µModule CC/CC a quattro uscite da 103 W che utilizza l’LTM4601 su una scheda a circuiti stampati a quattro livelli.

Figura 2: un sistema μModule CC/CC a quattro uscite da 103 W che utilizza l’LTM4601 su una scheda a circuiti stampati a quattro livelli.

Figura 2: un sistema μModule CC/CC a quattro uscite da 103 W che utilizza l’LTM4601 su una scheda a circuiti stampati a quattro livelli.

Questa soluzione fornisce quattro uscite:1,5V@ 12A, 1,8V@ 12A, 2,5V@ 12A, 3,3V@ 10A da un ingresso bus intermedio a 8-16 V. La Figura 2 mostra un diagramma a blocchi di questo design. Le quattro unità LTM4601 hanno la fase bloccata sull’LTC6902, un oscillatore a 4 uscite, 4 fasi, che genera segnali di clock interlacciati a 90º per ridurre il rumore e il ripple. L’efficienza di questa soluzione semplice e compatta è illustrata nella Figura 2. Si noti che i dissipatori di calore non sono necessari. Cosa più importante, l’errore di tensione del regolatore di uscita totale, inclusa la regolazione di linea e di carico, è solo del ±2%. Il sistema  CC/CC a 4 uscite da 103 W occupa uno spazio ridotto (ciascun convertitore CC/CC µModule LTM4601 contiene un induttore, MOSFET, condensatori di bypass, ecc.).

Conclusioni

Le innovazioni portate da Linear Technology/Analog Devices nell’architettura dei regolatori CC/CC hanno reso possibile la realizzazione di una generazione di soluzioni point of load in grado di soddisfare  i più rigorosi requisiti dei sistemi basati su FPGA. La famiglia di regolatori CC/CC µModule (Tabella 1) è composta da sei prodotti con vari livelli di potenza e caratteristiche. L’affidabilità di questi dispositivi sta inoltre definendo un nuovo standard nei package multi-chip ed è supportata dai severi processi di qualificazione e testing di Linear Technology. Le soluzioni CC/CC µModule stanno aprendo la strada a una nuova generazione di FPGA e di sistemi basati su FPGA che possono esprimersi al massimo delle loro prestazioni.

 

 

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