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이번 포스팅은 임베디드 하드웨어 엔지니어를 위한 FPGA 전원 설계 방법 포스팅입니다.
개인적인 설계 경험을 공유하기에 앞서 미리 말씀드릴 내용이 있습니다.
제가 제시하는 방법이 항상 정답은 아니라고 생각합니다.
하드웨어 엔지니어로서 시스템 전원 설계를 하다 보면 여러 가지 고려사항이 너무 많습니다.
이번 포스팅에서 말씀드리는 FPGA 전원 설계도 그 중 한 가지 방법이므로 참고만 해주시기 바랍니다.
이런 방법도 있다는 정도로 참고해주세요.
■ FPGA는 무엇일까요?
이 포스팅을 클릭하셔서 들어오신 분들은 FPGA에 대해 알고 계신 분들이겠지만, 모르시는 분들도 있으니 간단하게 FPGA는 무엇인지 알아보겠습니다.
FPGA는 Field-Programmable Gate Array의 약자입니다. FPGA는 제조 후, 설계자가 코드로 프로그램을 자유롭게 할 수 있는 집적 회로의 한 종류입니다. FPGA는 구성 가능한 논리 블록과 상호 연결로 구성되어 있으며, 이를 통해 특정 작업이나 기능을 수행하도록 맞춤화(커스터마이징) 할 수 있습니다.
FPGA는 자신의 회로를 자유롭게 만들고 수정할 수 있습니다. 제조 중에 영구적으로 설정되는 기존의 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit)와 달리 FPGA는 다른 애플리케이션에 맞게 여러 번 재구성할 수 있고 지속적으로 업데이트가 가능합니다. 이러한 특징이 가장 큰 장점입니다.
FPGA는 자동차, 디지털 신호 처리, 통신(5G 중계기), 의료 기기, 산업 자동화, 임베디드 시스템 등 다양한 분야에서 많이 사용하고 있습니다.
■ FPGA 전원 설계 방법
FPGA의 대표적인 제조사는 현재 AMD와 인텔이 있습니다.
FPGA를 조금이라도 아시는 분들은 의아하실 수도 있습니다.
FPGA 대표 제조사가 AMD와 인텔???
모르시는 분들을 위해 잠시 설명드리자면, 원래 FPGA의 대표적인 제조사는 자일링스(Xilinx)와 알테라(Altera)가 있었습니다.
※ 자일링스(Xilinx)는 AMD(Advanced Micro Devices)가 2022년 인수!
※ 알테라(Altera)는 인텔(Intel)이 2015년 인수!
저는 자일링스(Xilinx) FPGA만 사용한 경험이 있으므로, 자일링스(Xilinx) FPGA 기준으로 전원 설계 방법을 말씀드리겠습니다.
1. FPGA 선택하기
FPGA를 선택해서 설계하는 것은 임베디드 하드웨어 엔지니어 혼자 결정할 수 없습니다.
FPGA 엔지니어와 논의하여 Logic Resources를 고려하여 FPGA를 선택해야 합니다.
자일링스(Xilinx) 홈페이지에 방문해 보시면 FPG의 여러 제품이 있습니다.
7 Series, UltraScale, UltraScale+ 등...
7 Series에는 SPARTAN, ARTIX, KINTEX, VIRTEX
UltraScale에는 KINTEX, VIRTEX
UltraScale+에는 ARTIX, KINTEX, VIRTEX
이번 포스팅에서는 저에게 익숙한 Kintex® UltraScale 기준으로 예를 들어 설명드리겠습니다.
다른 FPGA 모델들도 동일한 방법으로 설계할 수 있으니 참고해 주시기 바랍니다.
2. FPGA의 DC and AC Switching Characteristics 데이터시트 확인하기!
구글이나 자일링스(Xilinx) 홈페이지에서 해당 모델 이름 뒤에 DC and AC Switching Characteristics을 검색하면 데이터시트를 확인할 수 있습니다.
예) Kintex UltraScale FPGAs Data Sheet: DC and AC Switching Characteristics
DC Characteristics에서 Absolute Maximum Ratings, Recommended Operating Conditions 항목에서
Min, Typ, Max 값을 확인할 수 있습니다.
당연한 얘기지만, 전원 공급은 Typ 값을 유지해야 하고 Min, Max 값을 초과해서는 안됩니다.
그러면 FPGA가 이상동작하거나 고장 날 수 있습니다.
데이터시트를 보시면 아시겠지만, FPGA Logic과 GTH and GTY Transceivers에 필요한 전압은 아래와 같습니다.
◆ FPGA Logic
- VCCINT : Internal supply voltage
- VCCINT_IO : Internal supply voltage for the I/O banks
- VCCBRAM : Block RAM supply voltage
- VCCAUX : Auxiliary supply voltage
- VCCO : Supply voltage for HR I/O banks
- VCCAUX_IO : Auxiliary I/O supply voltage
- VIN : I/O input voltage
- VBATT : Battery voltage
◆ GTH and GTY Transceivers
- VMGTAVCC : Analog supply voltage for the GTH and GTY transceivers
- VMGTAVTT : Analog supply voltage for the GTH and GTY transmitter and receiver termination circuits
- VMGTVCCAUX : Auxiliary analog QPLL voltage supply for the transceivers
- VMGTAVTTRCAL : Analog supply voltage for the resistor calibration circuit of the GTH and GTY transceiver columns
필요한 전압 값은 데이터시트를 참고해 주시고 이러한 항목들이 있다고만 알고 계시면 됩니다.
3. FPGA의 전원 설계 방법 선택
앞에서 FPGA를 선택하여 데이터시트를 통해 필요한 전압 값을 확인했습니다.
다음으로 FPGA에 필요한 전압을 어떤 방법으로 설계할지 남았습니다.
하드웨어 엔지니어라면 아시겠지만 전원을 설계하는 방법은 대표적으로 2가지가 있습니다.
1. 스위칭 레귤레이터(DC/DC 컨버터)
2. LDO(Low-dropout regulator)
LDO로 전원 설계? 스위칭 레귤레이터(DC-DC Converter)로 전원 설계?
2가지 방법 모두 가능합니다. 다만, 선택의 문제입니다.
파워 트리(Power tree) 혹은 PDN(Power Distribution Networks)를 어떻게 설계하는지도 중요합니다만, 시스템이 어떻게 구성되고 적용되는 애플리케이션은 무엇인지 상황이 모두 다르기 때문에 고려사항이 너무 많습니다.
예를 들면, 설계하는 PCB 크기가 작으면 FPGA 전원 공급에 LDO만 사용할 수도 있으며 전력을 많이 소모하는 경우라면 스위칭 레귤레이터로만 전원 공급을 구성할 수 있습니다.
일단 모든 고려사항을 제외하고 정석적인 FPGA 전원 설계 방법을 말씀드리겠습니다.
개인적인 경험을 바탕으로 말씀드리면 아래 방법으로 FPGA 전원 설계를 하면 FPGA 전원 공급 신뢰성 측면에서는 문제가 없습니다.
왜 이 방법이 정석적인 설계 방법인지 이유를 설명드리겠습니다.
VCCINT 기준으로 설명드리면 VCCINT의 1V 권장 전압 범위는 0.97 ~ 1.03V입니다.
+/- 3% 오차를 허용합니다.
FPGA는 전원 공급에는 High-Accuracy와 Low noise를 요구합니다. 일반적으로 LDO가 High-Accuracy와 Low noise를 만족하므로 FPGA 전원 공급에는 LDO가 좋습니다. 물론, 스위칭 레귤레이터도 High-Accuracy를 만족하는 제품들이 있지만 일반적으로 LDO가 High-Accuracy와 Low noise에 장점이 있습니다.
다만, 예외적으로 LDO를 사용할 수 없는 경우가 있습니다. FPGA에 전류 소모가 많으면 아무래도 발열 측면을 고려하면 스위칭 레귤레이터가 적합합니다.
세부적으로 들어가면 고려사항도 많고 설명드릴 내용이 많아 포괄적으로만 설명을 드렸습니다.
나중에 기회가 된다면 세부적인 내용도 포스팅을 진행해 보겠습니다.
세부적인 포스팅을 희망하시면 댓글을 부탁드립니다.
포스팅 제목은 거창했지만 포스팅 내용이 도움이 됐는지는 모르겠습니다.
FPGA 전원 설계 방법에 대해 포괄적으로만 설명을 드렸습니다.
반복해서 말씀은 드리지만, 제가 제시하는 방법이 항상 정답은 아니라고 생각하고 있습니다.
시스템을 설계하다 보면 고려사항이 정말 많기 때문입니다. 재료비, PCB 크기, Layout 배치 등...
모든 상황을 고려하여 최적의 설계를 하는 것이 항상 중요하다고 생각합니다.
제 글이 도움이 되길 바라며 이만 포스팅을 마칩니다.
감사합니다.
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