FPGA, GPU, ASIC으로 제어되는 시스템 보드에서 전력 관리와 관련된 설계 문제들이 발행한다. 확신을 가지고 전력 관리 레이아웃을 하려면 어떻게 해야 할 것인가? 이 글에서는 Altera Arria 10 FPGA 및 SoC의 개발 키트를 가지고서 전원 트리와 BOM(bill of materials) 등을 살펴본다.
FPGA, GPU, ASIC으로 제어되는 시스템 보드에서 전력 관리와 관련된 설계 문제들은 소수에 불과하지만, 얼마 안되는 이 문제들은 반복적인 디버깅을 초래하므로 시스템 출시 일정을 심각하게 지연시킬 수 있다. 그러나 수많은 전력 및 DC/DC 레귤레이션 문제들은 전력 제품 공급업체를 비롯해 FPGA, GPU, ASIC 제조업체가 검증한 설계 또는 유사한 설계가 이용될 경우, 방지할 수 있다.
하지만 기본적으로 문제를 파악하고 해결책을 찾아야 하는 것은 시스템 설계자의 몫이다. 이들 엔지니어들은 이미 복잡한 디지털 부분을 구성하느라고 많은 애를 먹고 있다. 전력 문제는 수많은 설계자들이 예측하는 간단한 작업이 아니기 때문에, 설계시 아날로그 및 전력 부분을 해결하는 것이 중요한 과제다.
신중한 전력 관리 계획 필요
트랜시버, 메모리 모듈, 센서, 라인 커넥터, 복잡한 PCB 트레이스, 다중의 PCB 층으로 이루어진 복잡한 시스템에서 전력 관리를 달성하기란 결코 쉽지 않은 과제다. DC/DC 레귤레이터, 커패시터, 인덕터, 히트 싱크, 다수의 소자들을 사용해서 무계획적으로 전력 관리를 하려고 하면 나중에 가서 중요한 문제들에 직면할 수 있다. 시스템 설계자가 성급한 판단으로 조악한 솔루션을 선택하면 어느 시점에 가서 디버깅을 더 이상 진척할 수 없게 될 수 있다.
어디서부터 시작할 것인가?
전력 관리 회로를 시작할 때는 체계적이고도 신중하게 접근해야 확신을 가지고 설계할 수 있다. 다시 말해서 정확한 분석을 통해서 작업을 단순화하고 PCB 어셈블리에 앞서 전력 관리에 관련된 문제들을 해결할 수 있다. 또한 전력 관리 가이드는 FPGA, ASIC, GPU, 마이크로프로세서와 또 이들 소자 및 여타 디지털 소자들을 사용한 시스템의 요구를 충족하도록 테스트하고 검증한 내용들을 싣고 있다.
검증된 전력 관리 솔루션을 따라서 전력 관리를 설계함으로써 확신을 가지고 프로젝트를 구현할 수 있다. 이렇게 하는 것이 디자인을 프로토타입 단계에서 생산 착수로 빠르게 넘길 수 있는 비결이다. 그럼으로써 전력을 디버깅하는 데 소요되는 시간을 줄일 수 있기 때문이다.
사례1. Arria 10 FPGA 및 Arria 10 SoC 구동
FPGA 개발 키트를 사용하면 시스템 개발자가 전체적인 시스템을 설계할 필요없이 FPGA를 평가할 수 있다. 그림 1과 그림 2는 알테라의 새로운 20nm Arria 10 FPGA 및 Arria 10 SoC 개발 보드를 보여준다. 이들 보드는 알테라가 테스트와 검증을 마친 것으로서, 레이아웃, 신호 무결성, 전원 관리와 관련해서 설계를 어떻게 해야 할지 예시를 보여준다.
▲ 그림 1. Arria 10 GX FPGA 개발 키트 보드
▲ 그림 2: Arria 10 SoC 개발 키트 보드
코어, 시스템, I/O의 전원 관리의 경우, Arria 10 같은 하이엔드 FPGA를 위해서는 전력 관리 솔루션을 신중하게 선택해야 한다. 잘 계획된 전력 관리 디자인은 PCB 크기, 무게, 복잡성을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 전력 소모와 냉각 비용을 낮출 수 있다. 이렇게 하는 것은 시스템 성능을 극대화하기 위해서도 필요하다.
예를 들어서 그림 1은 Arria 10 GX FPGA의 코어를 구동하기 위해서 12V DC/DC 레귤레이터로 0.95V 105A를 공급하고 있다. 이 회로는 이 SoC의 절전 기법을 보조하기 위해서 다음과 같은 기능들을 포함하고 있다.
첫째, Arria 10의 SmartVID가 DC/DC 레귤레이터의 6비트 병렬 VID 인터페이스를 사용해서 DC/DC 레귤레이터를 제어하고 정적 및 동적 상태 시에 FPGA의 전력 소모를 감소시킨다.
둘째, DC/DC 레귤레이터가 극히 낮은 DCR 값의 전류 검출을 사용해서 인덕터의 전력 손실을 최소화하므로 효율을 향상시킨다. 또한 온도 보정을 사용해서 높은 인덕터 온도에서도 정확도 또는 DCR 값을 유지한다.
표 1은 그림 1에서 보는 Arria 10 개발 키트의 전원 레일과 기능들을 요약하고 있다. 리니어 테크놀로지 제품과 각각의 기능에 대해서 설명하고 있다. 관련 홈페이지(www.linear.com/altera)에서는 이 글에서 소개하고 있는 2개 보드에 대한 상세한 기술 정보를 볼 수 있다.
▲ 표 1. 그림 1에서 보는 Arria 10 개발 키트의 전원 레일과 기능
LTpowerPlanner 설계 툴을 사용한 전원 트리 맞춤화
그렇다면 자신이 필요로 하는 디자인이 개발 키트에서 보여주고 있는 것과 다르다면 어떻게 할 것인가? 이러한 경우에는 LTpowerPlanner라고 하는 PC 기반 설계 툴을 사용해서 시스템의 전원 트리를 맞춤화하고 최적화할 수 있다. 개발 키트의 제안들을 출발점으로 삼되, 편리하게 전원 블록을 재구성하고, 전력 정격을 수정하고, 효율과 전력 손실을 계산하고, 각각의 전원 블록을 시뮬레이트하고, DC/DC 레귤레이터 부품 번호를 선택하고, 맞춤화된 솔루션을 달성할 수 있다.
LTpowerPlanner를 사용해서 Arria 10 개발 키트의 FPGA 및 시스템 요구를 충족하는 전원 트리를 작성했다(그림 3). LTpowerPlanner는 좀더 포괄적인 LTpowerCAD 설계 툴에 포함된다. LTpowerCAD는 www.linear.com/ltpowercad에서 무료로 다운로드할 수 있다.
▲ 그림 3. LTpowerPlanner를 사용해서 작성된 Arria 10 GX FPGA 보드(그림 1)용의 전력 트리.
LTpowerPlanner는 전원 요구에 따라서 맞춤화할 수 있는 분석적이고도 간단한 설계 툴이다.
LTpowerCAD는 ▲ 자신의 전원 디자인에 적합한 리니어 테크놀로지 DC/DC 레귤레이터 선택 ▲ 인덕터, 저항, 커패시터 같은 적합한 전원 소자 선택 ▲ 효율과 전력 손실 최적화 ▲ 레귤레이터 루프 안정성, 출력 임피던스, 부하 트랜션트 응답 최적화 ▲ LTspice로 디자인 내보내기 등 크게 5가지 기능을 수행할 수 있다.
맺음말
확신을 가지고 전력 관리 레이아웃을 하려면 어떻게 해야 할 것인가? LTpowerCAD와 LTPowerPlanner 같은 툴을 사용함으로써 POL(point-of-load) 레귤레이터를 구성하고 각 섹션을 분석하는 작업을 대폭적으로 간소화할 수 있다. 이 글에서는 Altera Arria 10 FPGA 및 SoC의 개발 키트를 가지고서 전원 트리와 BOM(bill of materials) 등을 살펴보았다. 이들 보드에 관한 상세한 기술 정보는 www.linear.com/altera에서 볼 수 있다. 자일리스 기반 FPGA 개발 키트에 관해서 www.linear.com/xilinx에서 찾아 볼 수 있다. 관련된 개발 키트는 알테라, 자일링스, 써드파티 개발사들에 의해서 테스트와 검증을 마친 것들이다.
압신 오다바에(Afshin Odabaee) _ 리니어 테크놀로지
