20nmの最先端FPGAやSoCの消�J電��を削��するデジタルDC-DCコン
低電圧、�j電流の最先端LSI向けの電源は、今やデジタル�U御する時代になった。数10mV��度のわずかな電圧単位で、電源電圧を�屬欧燭蟆爾欧燭蠅垢襪�らだ。Alteraが�A収したEnpirionは最微細化Gen10のFPGA向け30Aの電源モジュールEM1130を発売した。この�T圧DC-DCコンバータは並�`仕様で電流容量を拡張できる。
図1 Altera社Power Business�靆�Worldwide Business Development担当ディレクタのPatrick Wadden��
最先端のLSIは低電圧化が進んでいる半�C、動作電流は数Aから10Aを��すようになってきている。�堙賄�に�j電流を流せば電源ラインや信�･薀ぅ鵑療徹気��jきく��らぐため、ノイズを発�擇垢襪世韻任呂覆��pけやすくなる。それを�v�cするため、電源とFPGAやアプリケーションプロセッサ（SoC）などのデバイスとの�{�`をできるだけ�]くしたい。POL（Point of Load）はそのような電源だ。さらに、デジタル�U御も加わったのが、今�v発表されたEM1130だ。同社のSoC･FPGAの中でも、��に20nmプロセスで作��されるArria 10とStratix 10の電源に使う。
Alteraは2013�QにパワーICメーカーのEnpirionを�A収(参考�@料1)、FPGAに�Zづけて使��する電源を確保した。この����は�A収後にデザインされた最初のDC-DCコンバータモジュールである。1パッケージの中にDC-DCコンバータやパワーMOSFET、パスコンデンサ、インダクタ、ドライバなどを集積した、と同社Power Business UnitのWorldwide Business Development�靆腑妊�レクタのPatrick Wadden��(図1)は言う。
コンバータの変換効率を89%と�屬欧襪海箸�できたため、パッケージは11mm×17mm×5mm(厚)と小さい(図2)。システムメーカー（OEM）にとっては実��基���C積を半��できると見ている。外��け����は入出��に設けるキャパシタのみ、と同社Power Business UnitのWorldwide Business Development�靆腑妊�レクタのPatrick Wadden��は言う。だから「FPGAを使う�v路設���vは、電源のことを気にせずシステム設��に集中できる」（同��）。
図2 Alteraが発表したEM3310デジタル電源IC
ここで彼らの言うデジタル電源とは、デジタルインターフェースPMBusを�W��して、FPGAやプロセッサに供給する電源電圧をデジタルで�U御できる、という�T味である。検出するのは入��の電圧と電流、出��の電圧と電流、�a度である。DC-DCコンバータ内�陲療徹��U御にデジタル�U御を使っている�lではない。
ただし、今�vのデジタル電源は、かつて、Texas Instrumentsがデジタル電源と�}んでいた10�Qほど�iのデジタル電源とは違う。�W定化電源(電圧レギュレータ)は、出��電圧の変動を検出する�B�^から電圧を読み�Dり、その値をフィードバックしてMOSFETのゲート電圧を調�Dすることで、出��電圧を�k定にしている。TIは、このフィードバック信�､鬟▲淵蹈阿任呂覆�デジタルパルスの数の�H少で��めていた。このフィードバックにPWM（パルス幅変調）を使う�lだが、このパルスの幅を調�Dするのに、もっと細かいパルス(サブパルス)を作り出し、サブパルスの数の�j小で�jきなパルスの幅を調�Dしていた。そのためにTIはDSPを使い、パルス幅を変えていた。今�vの電源は、定電圧レギュレータの中は��来通りアナログのパルス幅変調だが、電源の外の�U御をデジタル�擬阿嚢圓辰討い襦�
この電源は、さらにAlteraがSmartVoltage ID (SmartVID)と�}ぶ、FPGAやSoCの消�J電��を削��するための�\術もサポートしている。これは例えばArria 10に搭載しているSmartVIDの電��を読み出し、EM1130はその電��なら最も低く下げられる最適な電圧を�Q出、Arria 10に供給する。これによって消�J電��は最�j40%削��できるとしている。
もう�kつ、外��けのAl電解コンデンサなどのコンデンサが経時変化などの劣化によって変わると、�堙榔�答�]度も変わってしまうため、これをアダプティブに��償するという機�Δ���いている。スイッチング�]度は、350kHz〜1.2MHzまで変えられる。効率が最�jになったスピードは、500〜700kHzの�J囲だという。
この電源では実は、もう�kつデジタルインターフェースを�eっている。これは��来のI2Cで、GUIの優れた操作性を����してプログラミングを容易にするツールを同社は提供するが、これを使う時の��リアルタイムの�U御に使う。デバイスをコンフィグレーションしたり、故障を発見、警報を出したりする機�Δ發△襯帖璽襪任△襦�
このパワーICモジュールは、並�`動作で電流を�\やすことができる。サポートしているのは30A（1個）から120A（4個）まで。入��電圧は4.5Vから14.5Vまで、出��電圧は0.7Vから5Vまで。出��電圧�@度はリップルが10mV未満、負荷端で0.5%未満だとしている。5月からフル�攵凮始の予定である。
参考�@料
1. Alteraが高効率電源メーカーのEnpirionを�A収した理�yとは？ (2013/05/17)
