Kompaktowe i wysokosprawne zasilanie dla układów FPGA

Chłodzenie

Z powodu dużej liczby regulatorów umieszczonych w pobliżu bezpośrednio programowalnej macierzy bramek (FPGA), problemem jest odprowadzanie ciepła. Firma Analog Devices przygotowała płytkę drukowaną umożliwiającą demonstrację niektórych opcji odprowadzania ciepła podczas korzystania z wielu regulatorów (ilustracja 3). Na parametry termiczne wpływa rozmieszczenie regulatorów, kierunek i natężenie przepływu powietrza oraz temperatura otoczenia.

W przypadku pierwszego porównania temperatura jest mierzona w siedmiu miejscach płytki demonstracyjnej. Miejsca od 1 do 4 pokazują temperaturę powierzchni modułów, a miejsca od 5 do 7 temperaturę powierzchni płytki drukowanej (ilustracja 4). Na obu termografach moduły zewnętrzne mają niższą temperaturę w związku ze zwiększonym chłodzeniem osiągniętym dzięki wykorzystaniu powierzchni płytki drukowanej z trzech stron w odróżnieniu od modułów centralnych rozpraszających ciepło tylko z dwóch stron. Ważny jest również przepływ powietrza. Termograf po lewej stronie pokazuje przepływ powietrza pochodzącego z dolnej części płytki drukowanej o natężeniu 200LFM w porównaniu z brakiem przepływu powietrza na ilustracji po prawej stronie. Moduły i płytka drukowana z przepływem powietrza są chłodniejsze o około 20°C.

Ilustracja 4: Wprowadzenie przepływu powietrza o natężeniu 200LFM znacząco obniża temperaturę modułów i płytki drukowanej (lewa strona). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Kierunek przepływu powietrza i temperatura otoczenia są również ważne. Zastosowanie przepływu powietrza o natężeniu 400LFM od prawej do lewej strony powoduje transfer ciepła z jednego modułu do drugiego, w wyniku czego najchłodniejszy moduł znajduje się po prawej stronie, temperatura środkowych modułów jest najwyższa, a modułów po lewej stronie ma wartość pośrednią (ilustracja 5, lewa strona). W ramach próby kompensacji wyższej temperatury otoczenia, na modułach pracujących w temperaturze 75°C umieszczono radiatory. W tych ekstremalnych warunkach moduły są znacznie gorętsze nawet przy zastosowaniu dodatkowych radiatorów (ilustracja 5, prawa strona).

Ilustracja 5: Wpływ temperatury otoczenia 50°C (po lewej) i 75°C (po prawej) przy przepływie powietrza o natężeniu 400LFM od prawej do lewej strony płytki drukowanej. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Obudowy LGA i BGA do montażu z tyłu

Obniżające regulatory prądu stałego o natężeniu ciągłym 12A (natężenie szczytowe14A) z grupy LTM4601 mogą posiadać obudowy LGA 15 × 15 × 2,82mm lub BGA 15 × 15 × 3,42mm. Posiadają zakres napięć wejściowych od 4,5 do 20V= i mogą dostarczać napięcia wyjściowe od 0,6 do 5V= oraz zapewniać śledzenie i kompensację napięcia wyjściowego. Charakteryzują się regulacją ±1,5% i odchyleniem szczytowym 35mV przy dynamicznych zmianach obciążenia od 0% do 50% oraz od 50% do 0% pełnego obciążenia z czasem ustalania się na poziomie 25µs.

Regulatory te mogą również posiadać wbudowany wzmacniacz różnicowy zdalnego pomiaru, który może być wykorzystany do dokładnej regulacji napięcia wyjściowego niezależnie od prądu obciążeniowego. Na przykład urządzenie LTM4601IV#PBF posiada obudowę typu LGA, a urządzenie LTM4601IY#PBF obudowę typu BGA. Ponadto oba mają wbudowany wzmacniacz różnicowy zdalnego pomiaru. W zastosowaniach, które nie wymagają wbudowanego wzmacniacza, można zastosować urządzenie LTM4601IV-1#PBF w obudowie LGA lub LTM4601IY-1#PBF w obudowie BGA. Moduły te stanowią kompletne regulatory prądu stałego wymagające jedynie zastosowania kondensatorów wejściowych i wyjściowych odpowiednich do wymagań projektowych (ilustracja 6). Niski profil omawianych modułów umożliwia ich montaż na tylnej stronie płytki drukowanej.

Rysunek 6: Regulatory μModule® to kompletne przetwornice mocy w obudowach o ulepszonych właściwościach termicznych. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Firma Analog Devices oferuje obwody demonstracyjne DC1041A-A umożliwiające przyspieszenie ewaluacji regulatorów LTM4601. Zakres napięć wejściowych wynosi od 4,5 do 20V=, a napięcie wyjściowe wybierane jest za pomocą mostka oraz programowane tak, aby narastało i opadało przypadkowo lub proporcjonalnie do wyjścia innego modułu.

Ultracienkie regulatory

Wysokość 1,82mm obudowy LGA 16 × 11,9mm urządzenia LTM4686 firmy Analog Devices umożliwia umieszczenie omawianych podwójnych regulatorów 10A lub pojedynczych 20A na tyle blisko macierzy FPGA, że urządzenia mogą korzystać ze wspólnego radiatora, co upraszcza odprowadzanie ciepła. Ponadto regulatory te mieszczą się z tyłu płytki drukowanej. Zintegrowane cyfrowe zarządzanie zasilaniem wykorzystujące protokół magistrali PMBus umożliwia zdalną konfigurację oraz monitorowanie prądu wyjściowego, napięcia, temperatury i innych parametrów w czasie rzeczywistym. Omawiane regulatory są dostępne na dwa zakresy napięć wejściowych: LTM4686IV#PBF pracuje w zakresie od 4,5 do 17V=, a LTM4686IV-1#PBF od 2,375 do 17V=. Moduły LTM4686 obsługują wyjścia od 0,5 do 3,6V= z maksymalnym błędem wyjściowym ±0,5%. Omawiane regulatory mogą dostarczać 18A przy 1V= z wejścia 5V= w temperaturze otoczenia 85°C przy przepływie powietrza o natężeniu 400LFM.

Projektanci mogą wykorzystać obwód demonstracyjny DC2722A w połączeniu z oprogramowaniem LTpowerPlay do badania możliwości modułów LTM4686. Aby przeprowadzić ewaluację samego regulatora, obwód DC2722A można wyłączyć przy użyciu ustawień domyślnych bez potrzeby komunikacji z magistralą PMBus. Dodanie oprogramowania i klucza sprzętowego magistrali PMBus umożliwia projektantom poznanie pełnych możliwości cyfrowego zarządzania zasilaniem, w tym rekonfigurację części na bieżąco i przeglądanie informacji telemetrycznych.

Zagadnienia dotyczące układu płytki

Łączenie równoległe regulatorów μModule® w celu zasilania macierzy FPGA nie wiąże się z wieloma kwestiami z dziedziny elektryki, jednak należy wziąć pod uwagę parametry związane z odstępami, przelotkami, płaszczyznami masowymi i przepływem powietrza. Na szczęście zajmowana powierzchnia obudowy typu LGA upraszcza rozmieszczenie płaszczyzn zasilania i masy oraz zapewnia solidne połączenie termiczne z płytką drukowaną. Rozmieszczenie czterech równoległych regulatorów μModule® polega na prostym powtórzeniu układu obudowy LGA (ilustracja 7). Z wyjątkiem szczególnie trudnych środowisk, obudowa o ulepszonych właściwościach termicznych wraz z płaszczyzną zasilania zwykle zapewnia wystarczające chłodzenie modułów.

Ilustracja 7: powierzchnia zajmowana przez obudowę typu LGA regulatorów μModule® upraszcza równoległe łączenie wielu modułów i polepsza parametry termiczne. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Podsumowanie

Stosowanie macierzy FPGA do obliczeń o wysokiej wydajności wymaga użycia precyzyjnego i sprawnego zarządzania zasilaniem zapewniającego krótki czas odpowiedzi. Zasilanie licznych szyn napięciowych w macierzy FPGA to złożone wyzwanie, któremu można sprostać, stosując zintegrowane regulatory prądu stałego μModule® firmy Analog Devices. Wspomniane regulatory o kompaktowej i łatwej do integracji konstrukcji zapewniają również wymagane parametry elektryczne i termiczne.

Autor: Jeff Shepard

Źródło: Opracowywanie kompaktowego i wysokosprawnego zasilania dla układów FPGA

Kontakt w Polsce: Arkadiusz Rataj

Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey

Digi-Key Electronics Germany

0048 696 307 330

arkadiusz.rataj@digikey.com

poland.support@digikey.pl