Projetos de referência simplificam o gerenciamento de energia FPGA

Dispositivos equipados com CIs de gerenciamento de energia (PMICs) tendem a ser mais inteligentes e eficientes, pois regulam o fluxo de energia de dentro e de fora do dispositivo. Os PMICs ajudam esses dispositivos a usar a energia de maneira mais eficiente, estendendo sua vida útil. Portanto, a demanda por tais componentes está aumentando rapidamente.

Um dos fatores mais críticos em um sistema baseado em FPGA é o gerenciamento de energia. Ligar um FPGA requer uma análise cuidadosa do sistema, e a mesma técnica quase sempre pode ser usada para um ASIC.

Os engenheiros passam a maior parte do tempo programando e não querem perder tempo e energia pensando em projetar as fontes de alimentação certas. Na verdade, a melhor abordagem para fornecimento de energia é usar um design robusto, flexível e testado que atenda aos requisitos e possa ser dimensionado com o design.

A tensão que fornece o núcleo do FPGA está sujeita a grandes variações de corrente caracterizadas por taxas de variação extremamente altas. Isso requer que o controlador seja capaz de fornecer etapas de corrente para a carga enquanto minimiza as mudanças em sua tensão de saída.

Múltiplos trilhos de energia, sequenciamento de inicialização, tolerâncias estreitas, resposta a transientes, confiabilidade do sistema, custo total da solução e tamanho - essas são coisas com as quais os projetistas se preocupam ao alimentar um FPGA. Uma maneira de lidar com esses desafios é usar um design de referência.

Mais recentemente, a Renesas Electronics lançou três designs de referência PMIC para alimentar os vários trilhos de alimentação dos FPGAs Xilinx. Os projetos de referência permitem fácil gerenciamento de alimentação de trilhos nos sistemas Xilinx Artix-7 FPGA, Spartan-7 FPGA e Zynq-7000 SoC. Com base em PMICs multifásicos, as soluções BGA da Renesas oferecem soluções turnkey fáceis de usar que permitem que um único projeto suporte diferentes graus de velocidade Xilinx e tipos de memória DDR, como DDR3, DDR3L, DDR4, LPDDR2 e LPDDR3.

Os três designs de referência - ISL91211A-BIK-REFZ, ISL91211A-BIK-REFZ e ISL91211AIK-REFZ - são baseados nos PMICs ISL91211AIK e ISL91211BIK da Renesas em pacotes BGA.

A placa de design de referência ISL91211A-BIK-REFZ para dispositivos Artix-7 emprega os PMICs multifásicos ISL91211AIK e ISL91211BIK, conversor DC / DC de buck síncrono 3-A 3-A ISL21010DFH312 e referência de tensão de micropotência ISL21010DFH312. Os PMICs oferecem eficiência de até 95% para vários barramentos de alimentação e aceitam entrada de 5 V de um adaptador CA / CC plug-in ou fonte de alimentação CC. O ISL80030 suporta VCCO e VCC_IO para 3,3 V, 2,5 V e 1,8 V, e o ISL21010DFH312 é para uma tensão de entrada XADC de 1,25 V com precisão de ± 0,2%.

A placa de design de referência ISL91211BIK-REF2Z para dispositivos Spartan-7 usa o PMIC multifásico ISL91211BIK e o conversor DC / DC de buck síncrono ISL80030 3-A ISL91211BIK. O ISL91211BIK é necessário para VCCINT, VCCBRAM, VCC_DDR, VCCAUX e VTT e aceita entrada de 5 V de um adaptador CA / CC plug-in ou fonte de alimentação CC. O conversor DC / DC ISL80030 suporta VCCO e VCC_IO para trilhos de 3,3-V, 2,5-V e 1,8-V.

Figura 1:Design de referência para Spartan 7 (Imagem:Renesas)

A placa de design de referência ISL91211AIK-REFZ para dispositivos Zynq-7000 utiliza o PMIC multifásico ISL91211AIK, o regulador de buck ISL9123 de Iq baixo e dois conversores DC / DC de buck síncrono 3-A ISL80030. O ISL91211AIK é necessário para VCCINT, VCCBRAM, VCC_DDR e VCCAUX. O ISL9123 fornece o barramento de alimentação VTT e dois conversores DC / DC ISL80030 suportam VCCO e VCC_IO para barramentos de 3,3 V, 2,5 V e 1,8 V.

As soluções podem fornecer uma corrente de saída total de até 20 A e são equipadas com escala de tensão dinâmica independente, acelerando efetivamente o desenvolvimento de fontes de alimentação para uma variedade de aplicações industriais, como controle de motor, câmeras de visão de máquina e controladores lógicos programáveis ​​( PLCs). Seu feedback de controle ajustado suporta de forma otimizada os perfis de carga dos FPGAs Xilinx e pode gerenciar internamente o sequenciamento on / off sem algoritmos adicionais. Eles também podem ser usados ​​em gateways e eletrodomésticos domésticos, dispositivos médicos portáteis e equipamentos sem fio.

A aplicação de uma frequência de chaveamento de 2 MHz e resposta rápida a transientes de carga permite que cada placa PMIC use capacitores de saída de 22 µF e um pequeno indutor para reduzir o tamanho da solução. Os PMICs estão disponíveis em 4,7 × 6,3 mm, BGA de 35 esferas com pacotes de passo de 0,8 mm.

Ambos os PMICs multifásicos oferecem a tecnologia de modulação R5 da Renesas, que permite transientes extremamente rápidos e pode alterar dinamicamente as tensões de saída para melhorar o desempenho e a eficiência do sistema. A tecnologia do controlador R5 é uma técnica de modulação proprietária que oferece a resposta mais rápida às mudanças nas condições de carga de saída, de acordo com a Renesas.

Figura 2:Diagrama simplificado da tecnologia R5 da Renesas (Imagem:Renesas)

A Renesas chama a tecnologia R5 de a próxima evolução de seu controlador histerético de modo atual exclusivo com largura de banda melhorada e Iq mais baixo do que as implementações anteriores.

Figura 3:Eficiência da tecnologia de modulação R5 (Imagem:Renesas)

O modulador R5 opera usando uma janela histérica e um sinal de corrente sintético rotulado na Fig. 4 como Vcr. A rampa sintética é uma representação da forma de onda do indutor sem a necessidade de detectar diretamente a corrente do indutor.

Figura 4:controlador R5 em condição transitória (Imagem:Renesas)

No estado estacionário, a janela é controlada com o objetivo de ter uma frequência de chaveamento constante com um ciclo de trabalho constante. A posição da janela permite que o loop reaja melhor a uma carga dinâmica do que a um esquema de modulação de frequência fixa. O modulador R5 aumenta a eficiência da carga por meio de um jogo atual no MOSFET.

Além disso, o modulador R5 não depende de um relógio fixo para definir ou redefinir os pulsos PWM. Portanto, ele pode, é claro, pular os pulsos quando necessário. Quando a corrente de carga é muito leve, a frequência de chaveamento do loop é reduzida, reduzindo drasticamente as perdas de chaveamento.

Todas as placas de design de referência são fornecidas com um guia do usuário, esquema completo, lista de materiais e arquivos de layout de PCB. Eles estão disponíveis através da rede de distribuição da Renesas.