Les conceptions de référence simplifient la gestion de l'alimentation du FPGA

Les appareils équipés de circuits intégrés de gestion de l'alimentation (PMIC) ont tendance à être plus intelligents et plus efficaces, car ils régulent le flux d'énergie de l'intérieur et de l'extérieur de l'appareil. Les PMIC aident ces appareils à utiliser l'énergie plus efficacement tout en prolongeant leur durée de vie. Par conséquent, la demande pour de tels composants augmente rapidement.

L'un des facteurs les plus critiques dans un système basé sur FPGA est la gestion de l'alimentation. L'alimentation d'un FPGA nécessite une analyse minutieuse du système, et la même technique peut presque toujours être utilisée pour un ASIC.

Les ingénieurs passent la plupart de leur temps à programmer et ne veulent pas perdre de temps et d'énergie à penser à concevoir les bonnes alimentations. En fait, la meilleure approche de la fourniture d'énergie consiste à utiliser une conception robuste, flexible et testée qui répond aux exigences et peut être adaptée à la conception.

La tension qui alimente le noyau FPGA est soumise à de larges variations de courant caractérisées par des vitesses de balayage extrêmement élevées. Cela nécessite que le contrôleur soit capable de fournir des pas de courant à la charge tout en minimisant les changements de sa tension de sortie.

Rails d'alimentation multiples, séquençage de mise sous tension, tolérances serrées, réponse transitoire, fiabilité du système, coût total de la solution et taille - ce sont des éléments qui préoccupent les concepteurs lors de l'alimentation d'un FPGA. Une façon de relever ces défis consiste à utiliser une conception de référence.

Plus récemment, Renesas Electronics a publié trois conceptions de référence PMIC pour alimenter les multiples rails d'alimentation des FPGA Xilinx. Les conceptions de référence permettent une gestion facile de l'alimentation des rails dans les systèmes Xilinx Artix-7 FPGA, Spartan-7 FPGA et Zynq-7000 SoC. Basées sur des PMIC multiphases, les solutions packagées BGA de Renesas offrent des solutions clé en main faciles à utiliser qui permettent à un seul projet de prendre en charge différents degrés de vitesse Xilinx et de types de mémoire DDR tels que DDR3, DDR3L, DDR4, LPDDR2 et LPDDR3.

Les trois conceptions de référence - ISL91211A-BIK-REFZ, ISL91211A-BIK-REFZ et ISL91211AIK-REFZ - sont basées sur les PMIC ISL91211AIK et ISL91211BIK de Renesas dans des packages BGA.

La carte de conception de référence ISL91211A-BIK-REFZ pour les appareils Artix-7 utilise les PMIC multiphasés ISL91211AIK et ISL91211BIK, le convertisseur abaisseur DC/DC synchrone ISL80030 3-A et la référence de tension de micropuissance ISL21010DFH312. Les PMIC offrent une efficacité jusqu'à 95 % pour plusieurs rails d'alimentation et ils acceptent une entrée 5 V à partir d'un adaptateur CA/CC enfichable ou d'une alimentation CC. L'ISL80030 prend en charge VCCO et VCC_IO pour 3,3 V, 2,5 V et 1,8 V, et l'ISL21010DFH312 est pour une tension d'entrée XADC de 1,25 V avec une précision de ±0,2 %.

La carte de conception de référence ISL91211BIK-REF2Z pour les appareils Spartan-7 utilise le convertisseur PMIC multiphasé ISL91211BIK et le convertisseur DC/DC abaisseur synchrone 3-A ISL80030. L'ISL91211BIK est requis pour VCCINT, VCCBRAM, VCC_DDR, VCCAUX et VTT, et il accepte l'entrée 5 V d'un adaptateur CA/CC enfichable ou d'une alimentation CC. Le convertisseur CC/CC ISL80030 prend en charge VCCO et VCC_IO pour les rails 3,3 V, 2,5 V et 1,8 V.

Figure 1 : Design de référence pour Spartan 7 (Image :Renesas)

La carte de conception de référence ISL91211AIK-REFZ pour les appareils Zynq-7000 utilise le PMIC multiphasé ISL91211AIK, le régulateur abaisseur à faible Iq ISL9123 et deux convertisseurs DC/DC abaisseurs synchrones 3 A ISL80030. L'ISL91211AIK est requis pour VCCINT, VCCBRAM, VCC_DDR et VCCAUX. L'ISL9123 fournit le rail d'alimentation VTT et deux convertisseurs CC/CC ISL80030 prennent en charge VCCO et VCC_IO pour les rails 3,3 V, 2,5 V et 1,8 V.

Les solutions peuvent fournir un courant de sortie total allant jusqu'à 20 A et sont équipées d'une mise à l'échelle de tension dynamique indépendante, accélérant efficacement le développement d'alimentations pour une variété d'applications industrielles telles que la commande de moteur, les caméras de vision industrielle et les contrôleurs logiques programmables ( automates). Leur retour de contrôle optimisé prend en charge de manière optimale les profils de charge des FPGA Xilinx et peut gérer en interne le séquençage marche/arrêt sans algorithmes supplémentaires. Ils peuvent également être utilisés dans les passerelles et appareils domestiques, les appareils médicaux portables et les équipements sans fil.

L'application d'une fréquence de commutation de 2 MHz et d'une réponse transitoire de charge rapide permet à chaque carte PMIC d'utiliser des condensateurs de sortie de 22 µF et une petite inductance pour réduire la taille de la solution. Les PMIC sont disponibles en BGA 4,7 × 6,3 mm, 35 billes avec des boîtiers au pas de 0,8 mm.

Les deux PMIC multiphasés offrent la technologie de modulation R5 de Renesas, qui permet des transitoires extrêmement rapides et peut modifier dynamiquement les tensions de sortie pour améliorer les performances et l'efficacité du système. La technologie du contrôleur R5 est une technique de modulation propriétaire qui offre la réponse la plus rapide aux conditions de charge de sortie changeantes, selon Renesas.

Figure 2 : Schéma simplifié de la technologie R5 de Renesas (Image :Renesas)

Renesas appelle la technologie R5 la prochaine évolution de son contrôleur hystérétique en mode courant unique avec une bande passante améliorée et un Iq inférieur à celui des implémentations précédentes.

Figure 3 : Efficacité de la technologie de modulation R5 (Image :Renesas)

Le modulateur R5 fonctionne à l'aide d'une fenêtre hystérétique et d'un signal de courant synthétique étiqueté dans Fig. 4 comme magnétoscope. La rampe synthétique est une représentation de la forme d'onde de l'inducteur sans avoir besoin de détecter directement le courant de l'inducteur.

Figure 4 : contrôleur R5 en condition transitoire (Image :Renesas)

En régime établi, la fenêtre est commandée dans le but d'avoir une fréquence de commutation constante avec un rapport cyclique constant. La position de la fenêtre permet à la boucle de mieux réagir à une charge dynamique qu'un schéma de modulation à fréquence fixe. Le modulateur R5 augmente l'efficacité de la charge grâce à un jeu de courant dans le MOSFET.

De plus, le modulateur R5 ne repose pas sur une horloge fixe pour définir ou réinitialiser les impulsions PWM. Par conséquent, il peut, bien sûr, sauter les impulsions lorsque cela est nécessaire. Lorsque le courant de charge est très faible, la fréquence de commutation de la boucle est abaissée, réduisant considérablement les pertes de commutation.

Toutes les cartes de conception de référence sont fournies avec un guide de l'utilisateur, un schéma complet, une nomenclature et des fichiers de mise en page PCB. Ils sont disponibles via le réseau de distribution de Renesas.