リファレンスデザインはFPGAの電力管理を簡素化します

パワーマネジメントIC（PMIC）を搭載したデバイスは、デバイスの内側と外側からのエネルギーの流れを調整するため、よりスマートで効率的な傾向があります。 PMICは、これらのデバイスの寿命を延ばしながら、電力をより効率的に使用するのに役立ちます。したがって、そのようなコンポーネントの需要は急速に増加しています。

FPGAベースのシステムで最も重要な要素の1つは、電力管理です。 FPGAに電力を供給するには、慎重なシステム分析が必要であり、ほとんどの場合、ASICにも同じ手法を使用できます。

エンジニアはほとんどの時間をプログラミングに費やしており、適切な電源の設計について考える時間とエネルギーを無駄にしたくありません。実際、電力供給への最善のアプローチは、要件を満たし、設計に合わせて拡張できる、堅牢で柔軟性があり、テスト済みの設計を使用することです。

FPGAコアに供給する電圧は、非常に高いスルーレートを特徴とする幅広い電流変動の影響を受けます。これには、コントローラーが出力電圧の変化を最小限に抑えながら、負荷に電流ステップを供給できる必要があります。

複数のパワーレール、パワーアップシーケンス、厳しい許容誤差、過渡応答、システムの信頼性、ソリューションの総コスト、およびサイズ—これらは、FPGAに電力を供給するときに設計者が懸念することです。これらの課題に対処する1つの方法は、リファレンスデザインを使用することです。

ごく最近、ルネサスエレクトロニクスは、ザイリンクスFPGAの複数の電源レールに電力を供給するための3つのPMICリファレンスデザインをリリースしました。リファレンスデザインにより、ザイリンクスArtix-7 FPGA、Spartan-7 FPGA、およびZynq-7000SoCシステムでのレールフィードを簡単に管理できます。ルネサスのBGAパッケージソリューションは、マルチフェーズPMICに基づいており、使いやすいターンキーソリューションを提供します。これにより、単一のプロジェクトで、DDR3、DDR3L、DDR4、LPDDR2、LPDDR3などのさまざまな程度のザイリンクス速度とDDRメモリタイプをサポートできます。

3つのリファレンスデザイン（ISL91211A-BIK-REFZ、ISL91211A-BIK-REFZ、およびISL91211AIK-REFZ）は、BGAパッケージのルネサスのISL91211AIKおよびISL91211BIKPMICに基づいています。

Artix-7デバイス用のISL91211A-BIK-REFZリファレンスデザインボードは、ISL91211AIKおよびISL91211BIK多相PMIC、ISL800303-A同期降圧DC / DCコンバータ、およびISL21010DFH312マイクロパワー電圧リファレンスを採用しています。 PMICは、複数の電源レールで最大95％の効率を実現し、プラグインAC / DCアダプターまたはDC電源からの5V入力を受け入れます。 ISL80030は、3.3 V、2.5 V、および1.8 VのVCCOおよびVCC_IOをサポートし、ISL21010DFH312は、±0.2％の精度で1.25VのXADC入力電圧用です。

Spartan-7デバイス用のISL91211BIK-REF2Zリファレンスデザインボードは、ISL91211BIK多相PMICおよびISL800303A同期降圧DC / DCコンバータを使用します。 ISL91211BIKは、VCCINT、VCCBRAM、VCC_DDR、VCCAUX、およびVTTに必要であり、プラグインAC / DCアダプターまたはDC電源からの5V入力を受け入れます。 ISL80030 DC / DCコンバータは、3.3 V、2.5 V、および1.8VレールのVCCOおよびVCC_IOをサポートします。

図1：Spartan 7のリファレンスデザイン（画像：ルネサス）

Zynq-7000デバイス用のISL91211AIK-REFZリファレンスデザインボードは、ISL91211AIK多相PMIC、ISL9123低Iq降圧レギュレータ、および2つのISL800303A同期降圧DC / DCコンバータを利用します。 ISL91211AIKは、VCCINT、VCCBRAM、VCC_DDR、およびVCCAUXに必要です。 ISL9123はVTT電源レールを供給し、2つのISL80030 DC / DCコンバーターは、3.3 V、2.5 V、および1.8VレールのVCCOおよびVCC_IOをサポートします。

このソリューションは、最大20 Aの合計出力電流を提供でき、独立した動的電圧スケーリングを備えており、モーター制御、マシンビジョンカメラ、プログラマブルロジックコントローラーなどのさまざまな産業用アプリケーション向けの電源の開発を効果的に加速します（ PLC）。調整された制御フィードバックは、ザイリンクスFPGAの負荷プロファイルを最適にサポートし、追加のアルゴリズムなしでオン/オフシーケンスを内部的に管理できます。また、ホームゲートウェイや電化製品、携帯型医療機器、ワイヤレス機器にも使用できます。

2 MHzのスイッチング周波数と高速負荷過渡応答を適用することで、各PMICボードは22 µFの出力コンデンサと小さなインダクタを使用してソリューションのサイズを縮小できます。 PMICは、4.7×6.3 mm、35ボールBGA、0.8mmピッチパッケージで提供されます。

どちらの多相PMICも、ルネサスのR5変調技術を提供します。これにより、非常に高速な過渡現象が可能になり、出力電圧を動的に変更して、システムのパフォーマンスと効率を向上させることができます。ルネサスによると、R5コントローラーテクノロジーは、変化する出力負荷条件に対して最速の応答を提供する独自の変調技術です。

図2：ルネサスのR5テクノロジーの簡略図（画像：ルネサス）

ルネサスは、R5テクノロジーを、以前の実装よりも帯域幅が改善され、Iqが低い、独自の電流モードヒステリシスコントローラーの次の進化と呼んでいます。

図3：R5変調技術の効率（画像：ルネサス）

R5変調器は、ヒステリシスウィンドウと図にラベル付けされた合成電流信号を使用して動作します。 4 ビデオデッキとして。合成ランプは、インダクタ電流を直接検出する必要のないインダクタ波形の表現です。

図4：一時的な状態のR5コントローラー（画像：ルネサス）

定常状態では、ウィンドウは、一定のデューティサイクルで一定のスイッチング周波数を持つことを目的として制御されます。ウィンドウの位置により、ループは固定周波数変調方式よりも動的負荷にうまく反応することができます。 R5変調器は、MOSFETの電流遊びによって負荷の効率を高めます。

また、R5変調器は、PWMパルスを設定またはリセットするために固定クロックに依存しません。したがって、もちろん、必要に応じてパルスをスキップできます。負荷電流が非常に小さい場合、ループのスイッチング周波数が低下し、スイッチング損失が大幅に減少します。

すべてのリファレンスデザインボードには、ユーザーガイド、完全な回路図、部品表、およびPCBレイアウトファイルが付属しています。これらは、ルネサスの流通ネットワークを通じて入手できます。