チュートリアル 5132

Xilinx FPGA向け電源ソリューション

筆者: David Canny

要約: フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)は、デジタル信号処理、医療用画像処理、高性能コンピューティングをはじめとする多岐にわたるアプリケーションならびにエンドマーケットで使用されています。本アプリケーションノートでは、FPGAの給電に関する問題を概説すると共に、Xilinx® FPGAの給電に対するマキシムのソリューションを紹介します。

はじめに

フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)は、多岐にわたるアプリケーションおよびエンドマーケットで使用されており、さらに、設計フレキシビリティに優れ、エンジニアリングコストが低いことからASICを上回るマーケットシェアを占めています。FPGA向けの電源設計および管理は、アプリケーション全体の重要な要素のひとつです。この記事では、電源設計に関する問題の一部を解決する方法を考察すると共に、コスト、サイズおよび効率の間のトレードオフを解説します。さらに、マキシムのXilinx FPGA向けソリューションも併せて紹介します。

FPGAの概要

FPGAはプログラム可能なデバイスであり、プログラム可能なインターコネクトを介して接続される設定可能なロジックブロック(CLB)のアレイで構成されています。これらのCLBは通常、ルックアップテーブル、フリップフロップ、マルチプレクサなどさまざまなデジタルロジックコンポーネントで構成されています。FPGAを構成するその他のコンポーネントには、入出力端子ドライバ回路(I/O)、メモリ、デジタルクロックマネジメント(DCM)回路があります。現代のFPGAは、FIFOおよびエラー修正コード(ECC)ロジック、DSPブロック、PCI Express® コントローラ、イーサネットMACブロック、高速ギガビットトランシーバをはじめとする機能を備えています(図1)。
図1. 標準的なFPGAアプリケーショブロック図
図1. 標準的なFPGAアプリケーショブロック図

FPGAアプリケーション向けシステムレベル電源アーキテクチャ

通信分野における大半の高性能/高出力FPGAアプリケーションは、48Vバックプレーンより給電されているプラグインカード上に搭載されています。これらのアプリケーションでは、個々のカードに対して2段階の中間バスアーキテクチャ(IBA)が通常使用されています(図2)。第1段はステップダウンコンバータで、48Vを12Vや5Vなどの中間電圧に変換します。プラグインカードは、安全上の理由から、さらには、電流ループおよびカード間の干渉の可能性を排除するためにしばしば相互分離されています。IBAの第2段は、「ポイントオブブロード」(POL)レギュレータとして知られている非絶縁レギュレータを使用して、中間電圧を複数のさらに低いDC電圧に変換します。コンピューティング、産業および自動車分野で使用されているFPGAは通常、12Vから24Vの非絶縁電源から電力を受けています。
図2. FPGA向けの標準的な2段階の中間バスアーキテクチャ(IBA)
図2. FPGA向けの標準的な2段階の中間バスアーキテクチャ(IBA)

POLレギュレータ

POLは高性能レギュレータであり、そのVOUTレールは、個々の負荷の近くに配置されています。この配置により、高過渡電流の供給と、FPGAなどの高性能半導体デバイスに求められるノイズの低減という困難な問題の解決を図れます。POLを設計する際に検討すべきアプリケーションレベルのパラメータは以下のとおりです。
  • コスト
  • サイズ
  • 効率
上記のそれぞれのパラメータの優先順位は、エンドマーケットによってしばしば異なります。したがって、各ソリューションを個別に検討する必要があります。たとえば、産業市場および医療市場がコストよりもサイズを優先する傾向にあるのに対し、ワイヤレスアプリケーションは、一般的にサイズよりもコストを優先します。民生用アプリケーションは、3つのすべてのパラメータを非常に意識しています。バッテリで作動するアプリケーションの場合には、効率がとりわけ重要です。通常、どの種類のDC-DCレギュレータ(低ドロップアウトリニアレギュレータまたはスイッチモード電源)を使用するかは、求められる効率によって決まります。

低ドロップアウトリニアレギュレータ(LDO)

LDOは、比較的簡単に実装することが可能で、安価であり、ノイズをほとんど発生しません。LDOの最大の欠点は効率が悪いことであり、この効率は、VOUTとVINの比率に左右されます。たとえば、VINが3.3V、VOUTが1.2VのLDOの効率はわずか36%です。電力差は、熱として消散されます。

スイッチモード電源(SMPS)

SMPSは通常、90%を超える効率を実現していますが、LDOよりも実装が困難です。また、SMPSは、LDOと比較してより多くのノイズを発生、放射します。
LDOは通常、比較的低い電力を必要とするアプリケーション向けに検討されています。SMPSは、効率が優れていることから高電力アプリケーションに使用されています。高効率は、熱管理および信頼性にとって重要なパラメータです。効率が高くなるほどデバイスの温度が低くなるため、信頼性が改善され、さらに、必要なヒートシンクの小型化と相まってソリューション全体のダウンサイジングが可能になります。

標準的なFPGA電源に関する要求事項

高性能FPGAの好例として、Xilinx Virtex®-7 FPGAが挙げられます。この部品の主な電源要求事項を表1に示します。さらに、必要な電流レベルがさらに低いVCCBRAM、VBATT、VREFといった必要低電圧レールが他にもあります。多くのアプリケーションでは、ひとつの電源とパッシブフィルタを併用して、共通電圧を使用する2つ以上の電源レールに給電することができます。これらの場合、電源は、20A以上を給電することを求められることがあります。
表1. Xilinx Virtex-7の電源要求事項
Power Rail Nominal Voltage (V) Tolerance 説明
VCCINT 1.0* ±3%* 内部コアロジック用電源電圧
VCCAUX 1.8 ±5% 補助ロジック用電源電圧
VCCO 1.2 to 3.3 1.11V to 3.45V** I/Oバンク用電源電圧
MGTAVCC 1.0 ±3% GTXトランシーバ用電源電圧
MGTAVTT 1.2 ±30mV GTXトランシーバ終端回路用電源電圧
*Virtex-7の低速バージョン"-1L"のコア電圧は0.9Vであり、公差は±30mVです。
**3.3V HR I/Oバンクの仕様は3.45V (最大)です。1.8V HR I/Oバンクの仕様は1.89V (最大)です。
表1a. 電圧の説明
Power Rail 説明
VCCINT 内部コアロジック用電源電圧:CLB、ブロックRAM、DSPブロックなどの内部ロジック機能に給電します。
VCCAUX 補助ロジック用電源電圧:クロックマネージャ、専用構成端子などのさまざまな補助回路に給電します。
VCCO I/Oバンク用電源電圧:出力バッファドライバに給電します。
MGTAVCC GTXトランシーバ用電源電圧:GTXトランシーバの内部アナログ回路に給電します。この電源は、PLL、トランスミッタさらにはレシーバ用アナログ回路も対象としています。
MGTAVTT GTXトランシーバ終端回路用電源電圧
XilinxなどのFPGAメーカーは、該当するFPGAの必要な機能に基づいてFPGAデバイスの必要電源を概算するための電力概算スプレッドシートを用意しています(https://japan.xilinx.com/products/technology/power.html)。設計者は、プロジェクトの早い設計段階でこれらのスプレッドシートを使用し、適切な電源および熱管理コンポーネントの選択を進めるべきです。設計者は、電力概算機能を使用して必要な電源電圧レールと電源電流を決定し、最適なレギュレータを選択することができます。Virtex-7 FPGAのサンプル電力量を表2に示します。これらの電力量計算を使用して、システム効率および必要な熱管理ソリューションを決定します。
表2. サンプル電力量計算
Regulator VOUT (V) IOUT_MAX (A) POUT (W) VIN (V) Efficiency (Estimated) PIN = POUT/Eff. IIN Required (A) Power Dissipated (W)
VCCINT 1.0 3.0 3 5.0 0.95 3.16 0.63 0.16
VCCAUX 1.8 1.0 1.8 5.0 0.92 1.95 0.39 0.15
VCCO 1.5 0.3 0.45 5.0 0.91 0.494 0.1 0.044
MGTAVCC 1.0 3 3 5.0 0.92 3.26 0.65 0.26
MGTAVTT 1.2 2 2.4 5.0 0.91 2.64 0.53 0.24
Total     10.65     11.50 2.3 0.85

電源について

FPGA電源レール電圧および電流の概算に電力概算ツールを使用することに加え、パワーレギュレータの選択に関わる事柄は他にもあります。考慮すべき点の一部を以下に解説します。

スタートアップシーケンシング/トラッキング

FPGAに給電するためには、一般的に3つ以上の電圧レールが必要です。これらのレールの間にパワーアップおよびパワーダウン用シーケンシングを実装するのが良い設計手法です。このシーケンシングの一番の利点は、パワーアップ時の突入電流を制限できることです。また、FPGA自体がシーケンシングを必要としない場合であっても、マイクロコントローラやフラッシュPROMなどシステム構成に含まれるその他のデバイスがシーケンシングを必要とする場合があります。シーケンシングが無視された場合、シーケンシングを必要とするデバイスが損傷したり、あるいは、ラッチアップにより不具合が発生する可能性があります。
シーケンシングには3つの種類があります。
  • 同時トラッキング(「同期トラッキング」としても知られている)
  • シーケンシャル
  • レシオメトリックトラッキング
3種類のシーケンシングと、電圧レールがどのように相互上昇するかを図3に示します。
図3. 3種類のシーケンシング:(a)同時トラッキング、(b)シーケンシャル、(c)レシオメトリックトラッキング
図3. 3種類のシーケンシング:(a)同時トラッキング、(b)シーケンシャル、(c)レシオメトリックトラッキング
一般的にはFPGAに適したシーケンシング方法である同時トラッキングを使用すると、電圧レールは同時に、また同一速度で個々の最終セットポイントまで上昇します。これにより、ラッチアップとバスコンテンションに起因する不安定な起動を防止することができます。また、FPGAの損傷の原因となり得る寄生コンダクションパスの作動が回避されます。この種類のシーケンシングに必要なスタートアップ突入電流が高くなるほど、電圧レールを確実に同時上昇させるためにより大きなコンデンサバンクが必要になる場合があります。突入電流の問題は、マキシムの大半のPOLに内蔵されている調整可能なソフトスタート機能により緩和されます。たとえば、MAX8686は、同時トラッキングを容易にし、ひとつのコンデンサの値によりプログラム可能ソフトスタート時間を提供します。
シーケンシャルシーケンシングの主な利点は、一般的に実装が簡単で、必要なスタートアップ突入電流が同時シーケンシングやレシオメトリックシーケンシングよりも少ないことです。しかし、この方法を用いた場合、電圧レール間で最大電圧差が生じます。この電圧差により、デバイスの挙動の信頼性が損なわれる可能性があります。
レシオメトリックトラッキングは、すべての電圧レールを個々のセットポイントまで同時に上昇させます。これにより、シーケンシャルシーケンシングと比較してレール間の電圧差が低減されます。このレベルのスタートアップ突入電流は、同時トラッキングの電流レベルとシーケンシャルシーケンシングの電流レベルの間に位置します。

単調なスタートアップ電圧上昇

スタートアップ時に電圧レールを単調に上昇させるには、パワーアップを確実に実施するために重要です。すなわち、電圧レールは、個々のセットポイントまで上昇し続け、途中で降下しないことが求められます。POLに十分な出力キャパシタンスがない場合、降下が発生する可能性があります(図4)。内部ロジックブロックが有効動作状態に初期化されている場合、殆どのFPGAコア電圧のクリティカルエリアは、0.5Vと0.9Vの間に存在します。
図4. スタートアップ時の非単調電圧上昇の例
図4. スタートアップ時の非単調電圧上昇の例

ソフトスタート

大半のXilinx FPGAは、最小スタートアップ上昇速度および最大スタートアップ上昇速度をそれぞれ0.2ms、50msに定めています。しかし、例外は存在します。たとえば、バージョン"-1L"のSpartan®-6の上昇速度が0.2msから40msであるのに対し、Spartan-3Aの上昇速度は0.2msから100msです。
電源レギュレータは、スタートアップ時に電流制限を徐々に上昇させてソフトスタートを実行します。このため、電圧レールの上昇速度は遅くなり、FPGAに流れるピーク突入電流は減少します。マキシムのPOLにより、いずれかのPOLピンに接続されているソフトスタートコンデンサの値に基づいてソフトスタート時間をプログラムすることができます。

プリバイアストスタートアップ

電源が停止された際に、FPGA電圧レールがある電圧レベルでバイアスされたままになる状態が存在します。このプリバイアスは通常、FPGAを通るさまざまな寄生コンダクションパスの結果です。電源が再起動し、プリバイアスト出力電圧を低下させると、FPGAのスタートアップが失敗する可能性があります。そのため、目的の順序で並んでいる他のFPGA電圧レールと共に電源の出力電圧をセットポイントまで上昇させる必要があります。
図5. プリバイアスト出力の推奨シーケンシャルシーケンシングスタートアップ
図5. プリバイアスト出力の推奨シーケンシャルシーケンシングスタートアップ

PCBレイアウト

PCBの設計に取り組んでいるエンジニアは、コンポーネントの配置、信号経路および基板層に配慮しなければなりません。FPGAのデザインに強く推奨されているのが、信号経路層間にグランド層を持つ多層基板です。グランド層で提供されるシールディングによって、隣接する配線層に配慮せずに各層の信号を配線できます。その結果、より簡素化され、より実用的なレイアウトが可能になります。
PCB層順(スタックアップ)における電源電圧とグランドプレーンの配置は、電源電流パスの寄生インダクタンスに大きな影響を及ぼします。
  • 優先順位の高い電圧供給層を、コンポーネント層の近く(PCBスタックアップの上半分)に配置する必要があります。たとえば、過渡電流が高い電源の場合は、コンポーネント層の近くに個々の関連電圧プレーンとグランドプレーンを配置する必要があります。この配置により、高過渡電流を流さなければならない経由長(寄生インダクタンス)が短くなります。
  • 優先順位の低い電源は、コンポーネント層から離して(PCBスタックアップの下半分)配置する必要があります
デカップリングコンデンサは、FPGA電源ピンにできる限り近付けて接続する必要があります。デカップリングコンデンサは、電源から伝播するノイズと、周囲回路から放射されるノイズを低減します。
SMPSレイアウトに関して推奨されている事柄の一部を以下に紹介します。
  • 重要なコンポーネントの間を短く幅広い配線にして、電源スイッチ電流パス内の寄生インダクタンスを最小限に抑えます。これにより、FPGA内に伝播、放射される可能性のある電圧スパイクが減少します。
  • レギュレータのデカップリングコンデンサを、レギュレータのICピンのできる限り近くに配置します。電源プレーンとアナロググランドプレーンを離します。
  • ゲートドライブ電流により発生するインピーダンスを低減するため、レギュレータのドライバ端子からMOSFETゲート端子までのトレースを常に短く、幅広くしておきます。
  • 内部グランドプレーンに接続される高電流電源コンポーネントには、多数のグランドビアを使用してループインピーダンスを低減する必要があります。
レイアウトに関する詳細については、MAX8686データシートをご覧ください。

電源過渡応答

FPGAは、複数のクロックドメインを備えているため異なる周波数で多数の機能を実装することができます。その結果、電流要件のステップ変化が大きくなる可能性があります。「過渡応答」とは、上述のような負荷電流の突然の変化に対応する電源の能力を指します。レギュレータは、レギュレータ自体のセットポイントを大幅にオーバーシュートあるいはアンダーシュートすることなく、また、出力電圧に持続リンギングを生じることなく応答する必要があります。レギュレータの過渡応答は、以下に左右されます。
  1. 出力電圧(あるいは、電流モードコントローラの場合は電流)の変化を検出した際にレギュレータの制御ループが応答する速度。
  2. 出力キャパシタンスの値および質。
制御ループユニティゲインクロスオーバー周波数は通常、レギュレータスイッチング周波数の1/10になるように設計されます。したがって、高いスイッチング周波数(最大1MHz)で動作することにより素早く応答するようレギュレータを設計することができます。
出力コンデンサは、非常に低い等価直列抵抗(ESR)であり、VOUT過渡オーバーシュートおよびアンダーシュートの大きさを最小限に抑えられるほど大きい容量であることが求められます。ポリマーコンデンサは、最小のESRで最大のキャパシタンスをもたらします。セラミックコンデンサは、優れた高周波特性を備えていますが、デバイス当りの総キャパシタンスは、ポリマーコンデンサの1/2から1/4です。一般的には、バルク出力キャパシタンスにはポリマーまたはタンタルコンデンサが使用されるのに対し、FPGA入力電源ピンには、最終ステージフィルタリング用として比較的低い値のセラミックコンデンサが使用されます(図6)。
図6. Virtex-6 GTXトランシーバ向けの12VIN、20Aで1.2VOUTの2相MAX8686電源設計。(a)過渡応答:2Aから12Aの負荷ステップで22mVOUTの電圧変動。(b) 5AOUTでVOUTリップルは5mV未満。


図6. Virtex-6 GTXトランシーバ向けの12VIN、20Aで1.2VOUTの2相MAX8686電源設計。(a)過渡応答:2Aから12Aの負荷ステップで22mVOUTの電圧変動。(b) 5AOUTでVOUTリップルは5mV未満。
図6. Virtex-6 GTXトランシーバ向けの12VIN、20Aで1.2VOUTの2相MAX8686電源設計。(a)過渡応答:2Aから12Aの負荷ステップで22mVOUTの電圧変動。(b) 5AOUTでVOUTリップルは5mV未満。

外部クロックとの同期

FPGAが使用されるアプリケーションには通常、共通クロックとの同期を実行するための電源レギュレータが必要です。多くのPOLは、外部SYNC端子を備えているため、システム設計者は、1つまたは複数のレギュレータを共通のシステムクロックに同期させることができます。

マルチフェーズ動作

マルチフェーズレギュレータは、基本的に同期および360/n (nは各位相を示す)度位相がずれている複数のレギュレータで動作します。負荷電流が20Aから30Aを超えると、マルチフェーズレギュレータを用いた設計の利点が顕著になります。以下の利点があります。
  1. 入力リップル電流が低下し、結果的に必要な入力キャパシタンスは大幅に低減する。
  2. 実効的にリップル周波数が倍増することにより出力リップル電圧が低下する。
  3. 損失をより多くのコンポーネントに分散させることでコンポーネントの温度が低下する。
図7. マルチフェーズレギュレータブロック図
図7. マルチフェーズレギュレータブロック図

リモート検出

電源出力とFPGA電源端子との間で大幅な電圧降下が発生する可能性があります。この電圧降下は、負荷電流が高く、FPGA電源端子のすぐ近くにレギュレータ回路を配置することが不可能なアプリケーションでとりわけ発生します。リモート検出は、1組の専用トレースを用いてFPGAの電源端子の電圧を正確に測定することでこの問題を解決します(図8)。また、リモート検出は、公差が極めて厳しい(3%以下)電圧レールにも推奨されています。
図8. リモート検出ブロック図
図8. リモート検出ブロック図

マキシムのXilinx FPGA向け電源ソリューション

マキシムは、LODレギュレータとSMPSレギュレータの両方を提供しています。SMPSレギュレータは通常、より高い電力のFPGA電圧レールを供給するために選択されます。SMPSレギュレータは、システム効率と熱管理を向上させます。マキシムのSMPSレギュレータは、正確な監視および制御による性能、電力密度、品質およびデジタル電源管理が必要な場合の完全な電源管理ソリューションとなります。
マキシムの電源レギュレータには以下のものがあります。
  • PWMコントローラ
  • PWMレギュレータ—集積されたMOSFETおよび/または内部補償およびデジタルププログラミング機能を備えたコントローラ
  • PMBus™ デジタルシステム制御および監視
  • デジタル電源制御IC

同期PWMコントローラ

同期PWMコントローラは、外部ショットキーダイオードの代わりにMOSFETに使用して同期整流を実装するため、効率が向上します。スイッチングMOSFETがコントローラICの外部にあるため、同期PWMコントローラは、高い電流レベルに対応することができます。設計者は、特定の電流要件に最適なディスクリートMOSFETを選択することができます。
マキシムは、FPGAと併用できるさまざまな同期PWMコントローラを提供しています。たとえば、MAX15026はシングルコントローラ、MAX15023はデュアルコントローラ、MAX15048/MAX15049はトリプルコントローラであり、いずれも最大28VINで動作するため、5VINおよび12VIN FPGAアプリケーションに適しています。さらに、マキシムは、MAX15046などの産業用および自動車用高電圧コントローラ(最大40VIN)も提供しています。マキシムの大半のデュアル(またはそれ以上の)コントローラは、シーケンシングおよびトラッキングも内蔵しているため、設計者は、外部シーケンサを必要とすることなくマルチレールICを使用することができます。

PWMレギュレータ

マキシムの選りすぐりのPWMレギュレータは、入力電圧が2.5Vから28Vまでの範囲の1Aから200Aまでの出力電流を簡単に制御します。すべてのレギュレータは、PWMコントーラと一体となったスイッチングMOSFETを備えています。MAX15053MAX15041MAX8686がその一例です。MAX15021およびMAX17017はマルチレールレギュレータであり、デュアルおよびクワド電源レールに対応しています。これらのICの多くは、広く採用されている固定出力電圧オプションと完全内部補償を備えています。
一部の部品は、シーケンシングやトラッキングをはじめとするすべてのタイミングイベントのマイクロ秒単位のプログラミングを可能にするデジタルプログラミング機能、オプションデジタル制御機能さらには監視機能に対応しています。これらの極めてフレキシブルな監視機能は、警告および異常スレッショルドのインテリジェント設定に配慮したものです。各レギュレータの異常対応手順の個別設定も簡単に行えます。0.2%の精度の出力電圧の微調整によって、高性能FPGAの厳しい公差に確実に対応します。デジタルプログラミング化および監視は、リモート接続によるフィールド更新を可能にし、さらには、高価なフィールド補修を回避するのに役立ちます。また、故障を調査し、根本原因を突き止めることができるようイベントを記録する能力を備えているという利点もあります。マキシムのPOLレギュレータの詳しいリストは、当社の製品ガイド「Xilinx FPGA向けアナログソリューション」に掲載されています。

POLデジタルシステム制御および監視

通信およびコンピューティングアプリケーションで使用されるラックベースのインフラストラクチャ設備には、電源およびファンを始動、停止する高度な電源管理が必要です。これらの市場向けの装置を構築する一部の顧客は、パワーマネジメントバス(PMBus™)プロトコルを採用しています。PMBusは、オープンスタンダードパワーマネジメントプロトコルであり、完全定義されたコマンド言語を採用しています。この言語によって、電源システム内の電源コンバータおよびその他のデバイスとの通信が容易になります。マキシムは、複数のPMBusモニタおよびシステムコントローラを提供しています。MAX34440MAX34441MAX34446は、複雑なシステムPMBusモニタのよい例です。これらのデバイスは、電源の出力電圧を監視し、ユーザープログラマブルな過電圧および不足電圧スレッショルドを絶えずチェックします。MAX34440は、最大6つの電源を管理することができます(図9)。MAX34441は、最大5つの電源を監視することが可能で、さらにはクローズドループファン速度コントローラを内蔵しています。MAX34440、MAX34441のいずれも、ユーザー設定が可能なレベルに合わせて電源出力電圧を増減させることができます。マージニングは、クローズドループ機構内で実行されますが、この機構ではデバイスがパルス幅変調(PWM)出力を自動的に調整し、その結果得られた出力電圧を測定します。また、この電源マネージャは、パワーアップとパワーダウンの両方で電源を任意の順序にシーケンスすることができます。外部電流検知アンプ(CSA)を追加すれば、これらのデバイスは電流を監視することができます。
図9. MAX34440 PMBus 6チャネル電源マネージャ
図9. MAX34440 PMBus 6チャネル電源マネージャ
MAX34446電源データロガーは、電圧の過電圧状態および不足電圧状態、さらには過電流状態および過熱状態を監視します。このデバイスは、ユーザー設定が可能なスレッショルドを絶えずチェックします。これらのスレッショルドを超えた場合、デバイスは、最近のリアルタイム動作状態を不揮発性フラッシュメモリに記録します(図10)。デバイスは、最大4つの電圧または電流、さらには3つの温度センサーを監視することができます。
図10. MAX34440/MAX34441/MAX34446異常検出/記録
図10. MAX34440/MAX34441/MAX34446異常検出/記録
MAX8688は、完全統合デジタル電源コントローラ/モニタの一例であり、既存のPOLで作動して完全なデジタルプログラミング化を可能にします(図11)。リファレンス入力、フィードバックノードおよび出力イネーブルとインタフェース接続することで、MAX8688は、POLを制御してトラッキング、シーケンシング、マージング、出力電圧の動的調整などの機能を実行します。
図11. MAX8688デジタルシステムのPOL制御および監視
図11. MAX8688デジタルシステムのPOL制御および監視

デジタル電源制御IC

歴史的に、電源メーカーは、LDOおよびSMPSレギュレータに重点を置いてきました。しかし、システムレベルの電源管理機能を使用している複雑なインフラストラクチャ設備においては、より高度なデジタル制御ループが、出力電圧に関係なく確実に自動補償を行います。この高度なデジタル制御ループは、設計の簡素化と動的電源管理を可能にします。アナログ制御ループを使用する一般的な電源レギュレータとは異なり、デジタル電源制御IC (DPC)は、デジタル回路を使用して電源の制御ループを実装します。高度なシステム電源管理を必要としている顧客は、トータルソリューションコストの面で恩恵を受けることができます。この文書で既述したアナログ電源レギュレータと同様に、これらのDPCも、PMBusインタフェースを介してシステムコントローラと通信する統合オンチップデジタル電源管理機能を備えているため、グラフィカルユーザインタフェース(GUI)を介して電源設計を簡単に行うことができます。デジタル制御ループICにはいくつかの利点があります。
  • 製品化までの時間が短い:高度なDPCは、出力電圧に関係なく制御ループを自動補償することで設計時間を短縮することができます。アナログ制御機能を備えた内部補償POLの恩恵をすでに受けている顧客の場合、デジタル制御が使いやすさをさらに高めてくれます。
  • 低コスト:DPCは、コンポーネントの数を低減し、小型化します。出力コンデンサは、50%まで低減が可能です。より少ない数のコンポーネントで信頼性が向上します
  • 性能および信頼性の向上:IOUT過渡に対する応答は最適制御されるため、VOUT過渡は減少します。制御アルゴリズムは、電圧、電流および温度の変動に応じて調整を行うことで効率を高めます。
  • フレキシビリティの強化:DPCは、システム電源管理を簡素化します。システム電源は、PMBusを介して制御され、将来のシステム設計に備えて新たな電源を簡単に追加したり除去することができます。

InTune™デジタル電源

マキシムのInTuneデジタル制御電源製品は、フィルタキャパシタンスが小さく、高効率の高性能DC-DC電源設計を簡単に実現することができます。InTuneデジタル電源テクノロジーは、競合他社が採用している比例・積分・微分(PID)制御ではなく「状態空間」または「モデル予測」制御に基づいています。その結果、過渡応答が速くなります。競合するPIDコントローラとは異なり、InTuneアーキテクチャは、フィードバックアナログ-デジタルコンバータ(ADC)を使用しています。ADCは、出力電圧範囲全体をデジタル化するため、競合コントローラで使用されている「窓付き」ADCに起因する問題点は排除されています。ADCの自動補償ルーティンは、測定されたパラメータに基づいており、幅広い動作条件において高い精度と効率を確保します。
図12に示すMAX15301は、すべての機能を内蔵し、フレキシブルかつ効率的なデジタルPOLコントローラであり、InTuneアーキテクチャを基礎にしており、高度な電源管理機能および遠隔測定機能を備えています。
図12. MAX15301の標準動作回路
図12. MAX15301の標準動作回路

マキシムのXilinx FPGA向けリファレンスデザイン

マキシムは、複数のエンドマーケットおよびアプリケーションを代表するXilinx FPGAおよびCPLD向けの複数のリファレンスデザインを構築してきました。複数のマルチギガビットトランシーバ(GTP/GTX)を使用した高性能VirtexシリーズFPGAから、低電力CoolRunner-II CPLDに至るすべてのFPGAとCPLDに対応した設計がその一例です。リファレンスデザインの一部を以下に紹介します。マキシムのFPGA電源担当チームは、お客様のお役に立てる設計例を提案します。ハードウェアおよびリファレンスデザインをご利用になりたい場合は、販売担当者にお問い合わせください。

マキシムのVirtex-6 GTXおよびSpartan-6 GTPトランシーバ向けGTXおよびGTP電源モジュール

マキシムは、Xilinx ML623およびSP623トランシーバ特性評価キットの電源として10Gbps GTX電源モジュールおよび3.125Gbps GTP電源モジュールを用意しています。MAX8686を基礎としたこれらの電源モジュールは、12VIN (± 10%)で作動し、Virtex-6 GTXトランシーバおよびSpartan-6 GTPトランシーバのMGTAVTTレールおよびMGTAVCCレールに給電します。GTPトランシーバおよびGTXトランシーバは、速いライン速度で動作するため、スイッチング電源の性能が不十分な場合にはデータアイにノイズを引き起こす可能性があります。マキシムの電源モジュールは、競合ソリューションと比較して、ノイズプロファイルが極めて低く、優れたソフトスタートおよび出力電圧リップルを示します。
GTXモジュールは以下の電圧を発生します。
  • MGTAVCC電圧レールに給電する場合は、最大20Aで1.025V。
  • MGTAVTT電圧レールに給電する場合は、最大20Aで1.2V。
GTPモジュールは以下の電圧を発生します。
  • MGTAVCC電圧レールに給電する場合は、最大20Aで1.2V。
  • MGTAVTT電圧レールに給電する場合は、最大20Aで1.2V。
図13. Xilinx ML623基板と併用するXilinx Virtex-6 GTXトランシーバ向け2相MAX8686電源。Xilinx SP623基板と併用するXilinx Spartan-6 GTPトランシーバ向けの同様の基板もございます。
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図13. Xilinx ML623基板と併用するXilinx Virtex-6 GTXトランシーバ向け2相MAX8686電源。Xilinx SP623基板と併用するXilinx Spartan-6 GTPトランシーバ向けの同様の基板もございます。
MOSFET内蔵の電流モード、同期PWMステップダウンレギュレータのMAX8686は、4.5V~20Vの入力電源で動作し、0.7V~5.5Vの可変出力電圧を生成します。MAX8686の可変スイッチング周波数は、コンポーネントサイズと効率との間の最適なトレードオフを図るため550kHzに設定されています。プログラム可能なソフトスタートは、FPGAの仕様に適合するよう1msに設定されています。プリバイアス出力電圧が存在している場合であっても、出力電圧レールは同時に起動します。さらに、MAX8686は、出力電圧レール間の起動シーケンシングを容易にし、同時に、ヒカップ電流制限機能は、短絡状態における電力損失を低減します。
図14. Xilinx Virtex-6 GTXトランシーバ向けマキシム電源モジュールのブロック図。Spartan-6 GTPトランシーバのブロック図も同様ですが、MGTAVCCは1.2Vです。
図14. Xilinx Virtex-6 GTXトランシーバ向けマキシム電源モジュールのブロック図。Spartan-6 GTPトランシーバのブロック図も同様ですが、MGTAVCCは1.2Vです。
電源モジュール基板を真のマルチフェーズモードで並列接続することでより高い出力電流アプリケーションを実装し、最大200Aの出力電流を供給することができます。

Virtex-6 LX130T PCI Expressキット

マキシムは、AvnetとXilinxと共同で、Virtex-6 FPGA PCI Express® 開発ボード向けの電源設計を開発しました。3つのスイッチングバックレギュレータと1つのLDOを備えたマルチレール電源レギュレータ(PMIC)であるMAX17017は、Virtex-6 LX130T FPGAへの給電に使用されています。単一レールPOLであるMAX8792も使用されています。マキシムのPMICレギュレータから給電される上記の開発プラットフォームブロック図を図15、ボードの写真を図16に示します。
図15. マキシムの電源を使用したVirtex-6 LX130T開発プラットフォームのブロック図。
図15. マキシムの電源を使用したVirtex-6 LX130T開発プラットフォームのブロック図。
図16. Avnet Xilinx Virtex-6 LX130Tの評価キットは、MAX17017を採用しています。
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図16. Avnet Xilinx Virtex-6 LX130Tの評価キットは、MAX17017を採用しています。

Spartan-6 FPGAへの給電

内蔵トランシーバを使用したSpartan-6 LX150T FPGA電源設計のブロック図を図17に示します。この設計では、マキシムのPMICレギュレータがすべての電源レールに給電しています。
図17. マキシムの電源を使用したSpartan-6 LX150T電源設計のブロック図
図17. マキシムの電源を使用したSpartan-6 LX150T電源設計のブロック図
Spartan-6 LX16 FPGA電源設計のブロック図を図18に示します。この設計では、マキシムのPMICレギュレータが最小のSpartan-6 FPGAに給電しています。
図18. マキシムの電源を使用したSpartan-6 LX16電源設計のブロック図
図18. マキシムの電源を使用したSpartan-6 LX16電源設計のブロック図

CoolRunner-II CPLD電源

CoolRunner-II CPLDは、24V公称電圧レールで作動し、低消費電流と軽負荷効率を必要とする産業および自動車アプリケーションでしばしば使用されています。マキシムの電源レギュレータにより給電されるCoolRunner-II CPLD基板を図19および図20に示します。この基板、IPセキュリティ用としてマキシムの単線セキュアEEPROMも内蔵しています。
図19. CoolRunner-II CPLD基板
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(PDF, 2.5MB)
図19. CoolRunner-II CPLD基板
図20. 図20はCoolRunner-II CPLD基板のブロック図を示しています。
図20. 図20はCoolRunner-II CPLD基板のブロック図を示しています。

要約

FPGA向け電源の設計における第1のステップは、電源レール電圧や電流などのシステムレベルの要求事項を把握することです。FPGAの電力概算機能は、これらの電圧および電流の計算に役立ちます。この点から、設計者は、PMBus制御、シーケンシング、ソフトスタートなどの高度なシステムレベル機能を検討すべきです。マキシムは、単純な電源レギュレータから、リファレンスデザインを備えた高度システムレベル電源管理ICに至るまで、FPGAアプリケーション設計者のニーズに対応する複数の電源ソリューションを提供しています。

参考文献