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엔지니어 인터뷰

FPGA의 까다로운 전원 요구를 만족하는 FPGA용 강압 DC/DC 컨버터 시리즈

FPGA의 전원 요구란?

FPGA의 까다로운 전원 요구를 만족하는
FPGA용 강압 DC/DC 컨버터 시리즈 –제1장-

주목 키워드
  • FPGA용
  • 복수
  • 시퀀스
  • 저전압
  • 대전류
  • 전압 정밀도
  • 리플
  • 부하 과도
  • 전압 강하
  • Low Noise

로옴의 다양한 DC/DC 컨버터 IC 라인업 중에는 FPGA의 전원으로서 적합한 라인업도 있습니다. 여기에서 다룰 8기종은, FPGA가 필요로 하는 전원 사양을 만족하며 레퍼런스 디자인도 제공합니다. 로옴의 어플리케이션 엔지니어인 시바코 타카노부씨에게 FPGA용 강압 DC/DC 컨버터 시리즈의 성능 및 특징에 대해 물어보았습니다.

-FPGA용 강압 DC/DC 컨버터 IC에서, 「FPGA용」이라는 것은 뭔가 특별한 기능을 가진 IC라는 것인가요?

기본적으로, 범용의 강압 DC/DC 컨버터 IC이지만, 성능 및 특성이 FPGA의 전원 사양을 만족시킬 수 있는 시리즈라고 인식해 주십시오. 예를 들어, 1.5V / 1A의 출력 공급이 가능한 DC/DC 컨버터는 많지만, 그 모두가 FPGA의 전원으로서 적합하다고 할 수는 없습니다.

-그럼, DC/DC 컨버터 설명에 앞서, FPGA의 전원에는 어떤 항목이 요구되는지에 대해 알려주십시오.

네, FPGA의 전원 요구에 대해 먼저 말씀드리는 편이 본 DC/DC 컨버터 시리즈가 FPGA용인 이유에 대해 이해하기 쉽겠네요. 우선, FPGA는 여러 메이커가 있으며 기능 및 구성 또한 제각각입니다. 여기서는 비교적 다기능이며 고성능인, 중간 규모 이상의 FPGA를 떠올려 주십시오. 예를 들어, Xilinx의 7시리즈 및 Altera의 Stratix 등이 이에 해당합니다.

우선 가장 큰 특징으로는, 전원전압이 코어용 및 I/O용, 각 기능 블록용으로 복수개이며, 이 역시 5종류 전후에서 그 이상의 전원 수가 필요하다는 점입니다. 그리고 전원의 Turn ON 시간 및 순서와 같은 시퀀스에 대한 요구가 있습니다. 최근에는 완화되는 경향이지만, 이러한 요구 사항을 지키지 못하면 정상 동작하지 않거나 고장으로 이어지는 경우가 있습니다.

다음으로, FPGA는 제조 프로세스의 미세화가 진행됨에 따라, 예를 들어 코어 전압이라고 불리는 전원전압은 1V 전후로 저전압화되고, 반대로 전원전류는 커지는 경향이 있습니다. 다른 전원전압도 1.8V 및 2.5V 등, 거의 3.3V 이하의 저전압으로 구성되어 있습니다.

-전원의 저전압 대전류화는 CPU에서도 언급되는데, 동일하게 생각하면 될까요?

기본적으로는 동일하다고 생각하셔도 무방합니다. 단, 전원의 수는 FPGA가 훨씬 많습니다.

-그 외에는 어떤 특징이 있습니까?

다전원저전압 대전류와 더불어, 높은 전압 정밀도가 요구되는 경향이 있습니다. 예를 들어, 코어 전압에서는 1V±3% 정도의 레벨입니다.

-±3%가 그렇게 높은 것입니까? 흔히 시스템 전압이라고 불리는 5V / 3.3V는 ±5%가 표준적이라고 생각하는데요.

±3%를 예로 들어 실제 허용차를 생각해 보면, 1V의 ±3%는 ±30mV입니다. 3.3V의 ±3%는 ±99mV로, 전압이 낮아지면 허용차의 절대적인 전압은 작아집니다. 스위칭 전원은 출력전압에 리플전압이 발생합니다. 출력 리플전압은, 출력 리플전류와 출력 콘덴서의 ESR의 곱으로 발생하는 전압으로, 출력전압에 관계없이 출력 리플전류의 크기에 비례합니다. 출력전압 정밀도에는 리플전압이 포함되어 있으므로, 저전압 대전류의 조건에서 리플전압이 커지면 허용차를 유지하는 것이 어려워집니다.

그 외에도 출력전압 정밀도에 영향을 미치는 요소가 있습니다. 부하 과도, 즉 출력전류의 급격한 변동으로 인해 출력전압은 많이 변동됩니다. FPGA의 부하는 상당히 다이나믹하게 변동합니다. 특히, sleep 상태에서 wake up 시의 부하 변동이 매우 큽니다.

또한, 부하전류 (전원의 출력전류)가 커지면, 기판 배선의 저항으로 인한 전압 강하가 커져, 전원의 출력 단자 전압에 비해 FPGA의 전원 단자 전압이 작아집니다. 이는 전원 성능의 문제는 아니지만, 부하 디바이스에 필요한 전압을 공급한다는 관점에서는 전원 측에서 해결할 문제입니다.

마지막으로, Low Noise인 점이 매우 중요합니다. 수 백 MHz 대역의 동작 및 통신을 저전압으로 실행합니다. 전원 노이즈는 S/N을 열화시키며, 정상적으로 동작하지 않는 원인이 됩니다.

-FPGA의 전원은 여러가지 고려 사항이 있네요. 그럼, 요점을 정리해 주시겠습니까?

FPGA의 전원에 관한 중요 요구 사항으로써, 1) 다수의 전원전압, 2) 전원 시퀀스, 3) 저전압 대전류, 4) 높은 전압 정밀도 (리플, 부하 과도로 인한 변동, 기판 배선 저항으로 인한 전압 강하 등 포함), 5) Low Noise가 있습니다. 물론 개별적으로는 조금 더 상세한 내용이 있습니다.

-그러면, FPGA의 전원은 이러한 요구 사항을 만족시켜야 하는군요.

그렇습니다. 전원으로서는 「저전압 대전류로 높은 전압 정밀도와 Low Noise를 달성」해야 하며, 이는 매우 어려운 과제라고 할 수 있습니다.

FPGA의 까다로운 전원 요구를 만족하는 FPGA용 강압 DC/DC 컨버터 시리즈
–제2장-

  • 엔지니어 인터뷰

    FPGA의 전원 요구에 대응하기 위해

    FPGA의 전원 요구에 대응하기 위해
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