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콤팩트하고 효율적인 FPGA 전력 솔루션

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글/Jeff, 디지키 북미편집자

현장 프로그래밍 가능 게이트 어레이(FPGA)는 동영상 및 이미지 처리, 의료 시스템, 자동차 및 항공 우주 응용 분야, 인공 지능(AI) 및 기계 학습(ML)에서 고성능 컴퓨팅을 지원하는 데 점점 더 많이 사용되고 있다. FPGA에 전력을 공급하는 것은 수많은 다양한 전력 레일을 포함하는 복잡하고 매우 중요한 기능이며, 일부 전력 레일의 경우에는 최대 50암페어(A)의 신속한 전력 공급이 필요하다.

적절한 FPGA 작동을 위해 전원 레일은 온/오프 시퀀싱이 필요하고, 부드럽게 상승, 하강해야 하며, 높은 전압 정확도와 신속한 과도 응답이 확보되어야 한다. 또한 다양한 전압을 공급하는 직류 대 직류(DC/DC) 조정기는 전력 분배 라인에서의 기생효과를 최소화하기 위해 FPGA에 가깝게 배치할 수 있도록 크기가 작아야 하며, FPGA 근처의 온도 상승을 최소화할 수 있도록 효율적이어야 한다. 일부 시스템에서는, DC/DC 조정기가 인쇄 회로 기판(PC 기판)의 뒷면에 실장될 수 있을 만큼 충분히 얇아야 한다.

필요한 통합 디지털 전력 관리 기능을 갖춘 고효율 및 고성능 DC/DC 조정기를 설계할 수는 있지만, 이를 매우 콤팩트하고 낮은 높이로 설계하는 것은 어려운 일이다. 이는 수많은 설계 반복을 초래하고 FPGA 시스템 설계에 방해가 되어 출시 시간을 지연시키고 시스템 성능을 저하할 수 있다.

FPGA 전력 시스템 설계자는 모든 부품이 포함되어 있어서 콤팩트하고 열 효율적인 랜드 그리드 어레이(LGA) 또는 볼 그리드 어레이(BGA) 패키지로 되어 있는, 완벽하게 테스트되고 검증된 통합 DC/DC 조정기를 사용할 수 있다. 이러한 패키지 상태의 조정기는 전력 시스템(및 FPGA) 성능을 극대화하기 위하여 FPGA 바로 옆에 통합 설치될 수 있다.

이 기사에서는 FPGA의 전력 공급 요구 사항을 전압 정확도, 과도 응답 및 전압 시퀀싱에 중점을 두고 검토하며, 작동 예와 함께 열 관리와 관련된 해결 과제를 자세히 설명한다. 그런 다음 FPGA 전원 공급에 적합한 Analog Devices의 통합 DC/DC 조정기를 소개한다. 또한 PC 기판 뒷면에 실장 할 수 있는 낮은 높이의 조정기와 설계 공정을 가속하기 위한 평가 기판 및 통합 방법에 대한 제안도 안내한다.

FPGA 전력 요구 사항

FPGA 내에서 코어 로직, 입력/출력(I/O)회로, 보조 회로 및 트랜시버와 같은 기능은 서로 다른 전력 레일이 필요하다. 이들은 일반적으로 각 전력 레일에 대해 하나 이상의 DC/DC 조정기(부하점(POL) 조정기라고도 함)를 가진 분배 전력 아키텍처를 사용하여 공급된다. 이러한 조정기 대부분은 최대 효율을 위해 스위치 모드 전력 변환을 사용하지만, 트랜시버와 같은 잡음에 민감한 회로에는 드롭아웃 비율이 낮은 선형(LDO) 조정기를 사용해야 할 수 있다.

소규모 시스템에서는 대량 전력 분배 전압은 일반적으로 5V 또는 12V DC(VDC)로서 이는 POL에 직접 전력을 공급할 수 있는 전력이다. 대규모 시스템에서는 전력 분배 전압이 24V 또는 48VDC 일 수 있다. 더 높은 전력 분배 전압이 사용되는 경우에는, 강압 조정기를 사용하여 POL에 전력을 공급하는 중간 전압 버스에서 전력 분배 전압을 5V 또는 12VDC까지 강하시킨다. POL은 개별 FPGA 전력 레일에 요구되는 낮은 전압을 제공한다(그림 1). 각 전력 레일마다 정확도, 과도 응답, 시퀀싱 및 기타 변수와 관련된 특정 요구 사항이 있다.

코어 POL은 FPGA에서 일반적으로 가장 중요한 전원이다. 코어 전력은 1VDC 미만의 전압에서 수십 암페어의 전류가 흐를 때가 많으며, 논리 오류를 방지하기 위해 ±3% 이상의 정확도를 요구하는 경우가 많다. 예를 들어 ±3% 코어 전압 허용 오차 범위 사양을 가진 FPGA의 경우, ±1.5%의 정확도를 유지하는 조정기는 과도 전압에 대비해 ±1.5%를 남겨둔다. POL의 과도 응답이 양호하다면 그 성능이 좋은 것이다. 그러나 정확도가 ±2%인 조정기는 요구되는 성능을 달성하기 어려울 수도 있다. 위의 경우, 과도 응답에는 ±1%만 사용할 수 있으므로 바이패스 커패시터를 추가해야 하며, 과도 상태에서 잠재적으로 논리 오류가 발생할 수 있다.

시퀀싱의 기복

FPGA는 작동 중에 까다로운 전력 요구 사항 외에도, 다양한 전력 레일을 정확한 타이밍으로 특정 시퀀스에서 켜고 끌 수 있어야 한다. 최신 FPGA에는 함께 켜고 끌 수 있는 몇 개의 그룹으로 구성된 수많은 전력 레일이 있는 경우가 많다. 예를 들어 Intel의 Altera Arria 10은 세 그룹의 전력 도메인이 구성되어 있다. 이러한 그룹은 그룹 1(6개의 전압 레일 포함)에서부터 그룹 2(6개의 전압 레일 포함), 그룹 3(3개의 레일) 순서로 전원을 켜야 하고, FPGA 손상을 방지하기 위해 역순서로 전원을 꺼야 한다(그림 2).

[그림 2] FPGA는 전력 레일이 특정 순서대로 전원을 켜고 끌 것을 요구한다. (이미지 출처: Analog Devices)

냉각 상태 유지하기

수많은 조정기가 FPGA에 가깝게 배치되어 있으므로 열 관리가 문제가 대두된다. Analog Devices는 여러 조정기를 사용할 때 몇 가지 열 관리 옵션을 보여주기 위해 PC 기판을 만들었다(그림 3). 열 성능은 조정기의 상대적 배치, 공기 유량의 방향과 공기 유량의 총량, 주변 온도에 의해 영향을 받다.

첫 번째 비교를 위해 데모 기판의 7개 위치에서 온도를 측정한다. 위치 1 ~ 4는 모듈의 표면 온도를 나타내고 위치 5 ~ 7은 PC 기판의 표면 온도를 나타낸다(그림 4). 두 온도 기록계 모두에서, 외부 모듈의 온도는 더 낮으며 이는 2면에서만 열을 방산하는 중앙 모듈과는 달리, 외부 모듈은 PC 기판 3면을 모두 사용하여 증가된 방열으로 인한 이점을 얻기 때문이다. 공기 유량 또한 중요하다. 왼쪽 온도 기록계에는, 공기 유량이 없는 오른쪽 이미지와 비교하여 PC 기판 하단에서 나오는 분당 200 선형 피트(LFM)의 공기 유량이 있다. 공기 유량이 있는 모듈과 PC 기판이 20℃ 정도 온도가 더 낮다.

공기 유량의 방향과 주위 온도 또한 중요하다. 오른쪽에서 왼쪽으로 400LFM 공기 유량을 사용하면 한 모듈에서 다른 모듈로 열을 밀어내고, 그 결과 가장 차가운 모듈이 오른쪽에 있고, 중앙 모듈이 가장 뜨거우며, 왼쪽 모듈의 온도는 둘 사이의 중간이다(그림 5, 왼쪽). 더 높은 주위 온도에 대응하기 위해 75℃에서 작동하는 모듈에 방열판이 배치되었다. 이러한 극한 조건에서는 방열판이 추가되어도 모듈은 상당히 뜨거워진다(그림 5, 오른쪽).

[그림 5] PC 기판 위 오른쪽에서 왼쪽으로 400LFM 공기 유량이 흐를 때 50°C(왼쪽) 및 75°C(오른쪽) 주변 온도의 영향. (이미지 출처: Analog Devices)

후면 실장을 위한 LGA 및 BGA 패키지

12A 연속(14A 피크) 강압 DC/DC 조정기로 구성된 LTM4601 제품군은 15mm × 15mm × 2.82mm LGA 패키지 또는 15mm × 15mm × 3.42mm BGA 패키지 옵션으로 제공된다. 입력 전압 범위는 4.5V ~ 20VDC이며 출력 전압 추적 및 마지닝을 통해 0.6V ~ 5VDC의 출력을 제공할 수 있다. 이 제품은 25마이크로초(μs)의 정착 시간으로 최대 부하의 0%에서 50% 및 50%에서 0%까지의 동적 부하 변경에 대해 ±1.5% 조정 및 35mV의 피크 편차를 제공한다.

이 조정기는 부하 전류와 관계없이 출력 전압을 정확하게 조정하는 데 사용할 수 있는 온보드 차동 원격 감지 증폭기를 포함하는 제품도 있고, 포함하지 않는 제품도 있다. 예를 들어 LTM4601IV#PBF는 LGA에 있고 LTM4601IY#PBF는 BGA에 있으며, 둘 다 온보드 차동 원격 감지 증폭기가 있다. 온보드 증폭기가 필요하지 않은 응용 제품은 LGA의 LTM4601IV-1#PBF 또는 BGA의 LTM4601IY-1#PBF를 사용할 수 있다. 이러한 모듈은 완전한 DC/DC 조정기이며, 특정 설계 요구사항에 맞는 입력 및 출력 커패시터만 필요하다(그림 6). 이러한 모듈은 높이가 낮으므로 PC 기판 뒷면에 실장할 수 있다.

Analog Devices는 LTM4601 조정기의 평가 속도를 높이기 위해 DC1041A-A 데모 회로를 제공한다. 이는 4.5V ~ 20VDC입력 전압 범위를 갖고, 다른 모듈의 출력을 동시적으로 또는 비례적으로 추적하여 그에 따라 전압이 상승하거나 하강하도록 점퍼선을 선택하거나 프로그래밍할 수 있는 출력 전압을 갖추고 있다.

초박형 조정기

Analog Devices의 LTM4686 16mm x 11.9mm LGA 패키지의 경우 높이가 1.82mm에 불과해 이러한 이중 10A 또는 단일 20A 조정기를 FPGA에 충분히 근접하게 배치하게 하여 장치가 방열판을 공유할 수 있으므로 열 관리가 용이해진다. 또한 이러한 조정기는 PC 기판의 뒷면에 장착된다. PMBus 프로토콜을 사용하는 통합 디지털 전력 관리는 원격 구성과 출력 전류, 전압, 온도 및 기타 매개변수의 실시간 모니터링을 지원한다. 이 조정기는 두 종류의 입력 전압 범위 지원을 제공한다. LTM4686IV#PBF는 4.5V ~ 17VDC에서 작동하고 LTM4686IV-1#PBF는 2.375V ~ 17VDC에서 작동한다. LTM4686 모듈은 ±0.5% 최대 출력 오류로 0.5V ~ 3.6VDC의 출력을 지원한다. 이러한 조정기는 주변 +85℃에서 400LFM 공기 유량으로 5VDC 입력으로부터 1VDC에서 18A를 제공할 수 있다.

설계자는 LTpowerPlay 소프트웨어와 결합된 DC2722A 데모 회로를 사용하여 LTM4686 모듈의 기능을 자세히 살펴볼 수 있다. 조정기만을 평가하기 위해서, DC2722A는 PMBus 통신 없이 기본 설정을 사용하여 켤 수 있다. 설계자는 소프트웨어와 PMBus 동글을 추가하여 부품을 즉시 재구성하고 원격 측정 정보를 관측하는 것을 포함한 완전한 디지털 전력 관리 기능을 탐색할 수 있다.

기판 레이아웃 고려 사항

FPGA에 전력을 공급하기 위해 μModule 조정기를 병렬로 연결할 때 전기적 고려 사항은 거의 없지만 간격, 비아, 접지면 및 공기 유량과 관련된 변수는 중요하다. 다행히도 LGA 실장 면적의 설계는 전력 및 접지면의 레이아웃을 단순화하고 PC 기판에 대한 확실한 열 연결을 제공한다. 4개의 병렬 μModule 조정기를 배치하는 것은 LGA 실장 면적을 그대로 늘리기만 하면 되는 간단한 일이다(그림 7). 비정상적으로 까다로운 환경을 제외하면, 내열 기능이 강화된 패키지는 전력판과 함께 통상적으로 모듈에 충분한 냉각을 제공한다.

[그림 7] μModule 조정기의 LGA 실장 면적은 여러 모듈의 병렬 연결을 단순화하고 강화된 열 성능을 지원한다. (이미지 출처: Analog Devices)

결론

FPGA는 고성능 컴퓨팅 응용 분야를 지원하기 위해 신속한 응답 시간과 함께 정확하고 효율적인 전력 관리가 필요하다. FPGA에서 수많은 전압 레일에 전력을 공급하는 것은 복잡한 과제이지만, Analog Devices의 통합 μModule DC/DC 조정기를 사용하여 이를 해결할 수 있다. 이 조정기는 또한 콤팩트하고 통합이 쉬운 패키지에서 필요로 하는 전기적 성능 및 열 성능을 제공한다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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