참조 설계는 FPGA 전력 관리를 단순화합니다

전원 관리 IC(PMIC)가 장착된 장치는 장치 내부와 외부의 에너지 흐름을 조절하므로 더 똑똑하고 효율적인 경향이 있습니다. PMIC는 이러한 장치가 수명을 연장하면서 전력을 보다 효율적으로 사용하도록 도와줍니다. 따라서 이러한 부품에 대한 수요가 급격히 증가하고 있습니다.

FPGA 기반 시스템에서 가장 중요한 요소 중 하나는 전원 관리입니다. FPGA에 전원을 공급하려면 신중한 시스템 분석이 필요하며 ASIC에 거의 항상 동일한 기술을 사용할 수 있습니다.

엔지니어는 대부분의 시간을 프로그래밍에 사용하며 올바른 전원 공급 장치를 설계하는 데 시간과 에너지를 낭비하고 싶지 않습니다. 사실, 전력 공급에 대한 최상의 접근 방식은 요구 사항을 충족하고 설계에 따라 확장할 수 있는 견고하고 유연하며 테스트를 거친 설계를 사용하는 것입니다.

FPGA 코어에 공급하는 전압은 매우 높은 슬루율을 특징으로 하는 광범위한 전류 변동에 영향을 받습니다. 이를 위해서는 컨트롤러가 출력 전압의 변화를 최소화하면서 부하에 전류 단계를 전달할 수 있어야 합니다.

다중 전원 레일, 파워업 시퀀싱, 엄격한 허용 오차, 과도 응답, 시스템 신뢰성, 총 솔루션 비용 및 크기 등은 설계자가 FPGA에 전원을 공급할 때 우려하는 사항입니다. 이러한 문제를 해결하는 한 가지 방법은 참조 디자인을 사용하는 것입니다.

가장 최근에 Renesas Electronics는 Xilinx FPGA의 다중 공급 레일에 전원을 공급하기 위한 3가지 PMIC 레퍼런스 디자인을 출시했습니다. 참조 설계를 통해 Xilinx Artix-7 FPGA, Spartan-7 FPGA 및 Zynq-7000 SoC 시스템에서 레일 공급을 쉽게 관리할 수 있습니다. 다상 PMIC를 기반으로 하는 Renesas의 BGA 패키지 솔루션은 단일 프로젝트에서 DDR3, DDR3L, DDR4, LPDDR2, LPDDR3과 같은 DDR 메모리 유형과 다양한 수준의 Xilinx 속도를 지원할 수 있는 사용하기 쉬운 턴키 솔루션을 제공합니다.

ISL91211A-BIK-REFZ, ISL91211A-BIK-REFZ 및 ISL91211AIK-REFZ의 세 가지 참조 설계는 BGA 패키지의 Renesas ISL91211AIK 및 ISL91211BIK PMIC를 기반으로 합니다.

Artix-7 장치용 ISL91211A-BIK-REFZ 레퍼런스 디자인 보드는 ISL91211AIK 및 ISL91211BIK 다상 PMIC, ISL80030 3A 동기 벅 DC/DC 컨버터, ISL21010DFH312 마이크로파워 전압 레퍼런스를 사용합니다. PMIC는 다중 전원 레일에 대해 최대 95%의 효율성을 제공하며 플러그인 AC/DC 어댑터 또는 DC 전원 공급 장치에서 5V 입력을 받아들입니다. ISL80030은 3.3V, 2.5V 및 1.8V에 대해 VCCO 및 VCC_IO를 지원하고 ISL21010DFH312는 ±0.2% 정확도로 1.25V의 XADC 입력 전압에 대해 지원합니다.

Spartan-7 장치용 ISL91211BIK-REF2Z 참조 설계 기판은 ISL91211BIK 다상 PMIC 및 ISL80030 3A 동기식 벅 DC/DC 컨버터를 사용합니다. ISL91211BIK는 VCCINT, VCCBRAM, VCC_DDR, VCCAUX 및 VTT에 필요하며 플러그인 AC/DC 어댑터 또는 DC 전원 공급 장치에서 5V 입력을 받습니다. ISL80030 DC/DC 컨버터는 3.3V, 2.5V 및 1.8V 레일용 VCCO 및 VCC_IO를 지원합니다.

그림 1:Spartan 7용 참조 디자인(이미지:Renesas)

Zynq-7000 장치용 ISL91211AIK-REFZ 레퍼런스 디자인 보드는 ISL91211AIK 다상 PMIC, ISL9123 low-Iq 벅 레귤레이터, 2개의 ISL80030 3-A 동기 벅 DC/DC 컨버터를 사용합니다. ISL91211AIK는 VCCINT, VCCBRAM, VCC_DDR 및 VCCAUX에 필요합니다. ISL9123은 VTT 전원 레일을 공급하고 2개의 ISL80030 DC/DC 컨버터는 3.3V, 2.5V 및 1.8V 레일용 VCCO 및 VCC_IO를 지원합니다.

이 솔루션은 최대 20A의 총 출력 전류를 제공할 수 있고 독립적인 동적 전압 스케일링을 갖추고 있어 모터 제어, 머신 비전 카메라, 프로그래머블 로직 컨트롤러와 같은 다양한 산업 애플리케이션을 위한 전원 공급 장치의 개발을 효과적으로 가속화합니다. PLC). 조정된 제어 피드백은 Xilinx FPGA의 로드 프로필을 최적으로 지원하고 추가 알고리즘 없이 내부적으로 온/오프 시퀀싱을 관리할 수 있습니다. 또한 가정용 게이트웨이 및 가전 제품, 휴대용 의료 기기 및 무선 장비에도 사용될 수 있습니다.

2MHz 스위칭 주파수와 빠른 부하 과도 응답을 적용하면 각 PMIC 보드가 22μF 출력 커패시터와 작은 인덕터를 사용하여 솔루션 크기를 줄일 수 있습니다. PMIC는 0.8mm 피치 패키지의 4.7 × 6.3mm, 35볼 BGA로 제공됩니다.

두 다상 PMIC는 모두 Renesas의 R5 변조 기술을 제공하여 매우 빠른 과도 현상을 허용하고 출력 전압을 동적으로 변경하여 시스템 성능과 효율성을 개선할 수 있습니다. Renesas에 따르면 R5 컨트롤러 기술은 변화하는 출력 부하 조건에 가장 빠른 응답을 제공하는 독점 변조 기술입니다.

그림 2:Renesas R5 기술의 단순화된 다이어그램(이미지:Renesas)

Renesas는 R5 기술을 이전 구현보다 향상된 대역폭과 낮은 Iq를 갖춘 고유한 전류 모드 히스테리시스 컨트롤러의 차세대 진화라고 부릅니다.

그림 3:R5 변조 기술의 효율성(이미지:Renesas)

R5 변조기는 히스테리시스 창과 그림 1에 표시된 합성 전류 신호를 사용하여 작동합니다. 4 Vcr로. 합성 램프는 인덕터 전류를 직접 감지할 필요 없이 인덕터 파형을 나타냅니다.

그림 4:일시적인 상태의 R5 컨트롤러(이미지:Renesas)

정상 상태에서 창은 일정한 듀티 사이클로 일정한 스위칭 주파수를 갖도록 제어됩니다. 창의 위치는 루프가 고정 주파수 변조 방식보다 동적 부하에 더 잘 반응하도록 합니다. R5 변조기는 MOSFET의 전류 재생을 통해 부하의 효율성을 높입니다.

또한 R5 변조기는 고정 클록에 의존하여 PWM 펄스를 설정하거나 재설정하지 않습니다. 따라서 필요한 경우 펄스를 건너뛸 수 있습니다. 부하 전류가 매우 가벼우면 루프의 스위칭 주파수가 낮아져 스위칭 손실이 크게 줄어듭니다.

모든 레퍼런스 디자인 보드는 사용자 가이드, 전체 회로도, BOM, PCB 레이아웃 파일과 함께 제공됩니다. Renesas의 유통망을 통해 구할 수 있습니다.