Správa napájania pre FPGA

Prebehlo veľa technických diskusií o návrhu dobrého riešenia správy napájania pre aplikáciu FPGA, keďže nejde o triviálnu úlohu. Jedným z aspektov tejto úlohy je nájdenie správneho riešenia a výber najvhodnejšieho produktu na správu napájania, kým ďalším je, ako optimalizovať skutočné riešenie na použitie s FPGA. Nájdenie správneho riešenia napájania Nájsť najlepšie možné riešenie na napájanie FPGA nie je jednoduché. Mnoho predajcov predáva určité produkty ako vhodné na napájanie FPGA. Čím je výber jednosmerných prevodníkov na jednosmerný prúd špecifický pre napájanie FPGA? Nie veľa. Vo všeobecnosti možno na napájanie FPGA použiť všetky výkonové meniče. Odporúčania pre určité produkty sú zvyčajne založené na skutočnosti, že mnohé aplikácie FPGA vyžadujú viacero napäťových koľajníc, ako napríklad pre jadro FPGA, I/O a prípadne ďalšiu koľajnicu na ukončenie pamäte DDR. Často sú preferované PMIC (integrované obvody správy napájania), kde sú všetky prevodníky jednosmerného prúdu na jednosmerný prúd integrované do jedného čipu regulátora. Jedným z populárnych spôsobov, ako nájsť dobré riešenie pre napájanie konkrétneho FPGA, je použitie už existujúcich referenčných návrhov správy napájania, ktoré ponúkajú mnohí predajcovia FPGA. Toto je dobrý východiskový bod pre optimalizovaný dizajn. Často sú však potrebné úpravy takýchto návrhov, pretože systém s FPGA zvyčajne vyžaduje dodatočné napäťové koľajnice a záťaže, ktoré je tiež potrebné napájať. Často sú potrebné aj doplnky k referenčnému dizajnu. Ďalšia vec, ktorú treba zvážiť, je, že vstupný výkon FPGA nie je pevný. Vstupné napätie silne závisí od skutočných logických úrovní a dizajnu, ktorý FPGA implementuje. Po dokončení úprav referenčného návrhu správy napájania bude vyzerať inak ako pôvodný návrh referenčného návrhu. Niekto môže namietať, že najlepším riešením je vôbec sa neobťažovať s referenčným návrhom správy napájania, ale zadať požadované napäťové koľajnice a prúdy priamo do nástroja na výber a optimalizáciu správy napájania, ako je LTpowerCAD od Analog Devices. Obrázok 1. Nástroj LTpowerCAD na výber správnych jednosmerných prevodníkov na napájanie FPGA. LTpowerCAD je možné použiť na vytvorenie riešenia napájania pre jednotlivé napäťové koľajnice. Ponúka tiež kolekciu referenčných návrhov, ktoré poskytujú dizajnérom dobrý východiskový bod. LTpowerCAD si môžete bezplatne stiahnuť z webovej stránky Analog Devices. Po výbere architektúry napájania a jednotlivých meničov napätia je potrebné zvoliť vhodné pasívne komponenty a navrhnúť zdroj. Keď to robíme, musíme mať na pamäti špeciálne požiadavky na zaťaženie FPGA. Sú to: Individuálne požiadavky na prúd Sekvencia napäťových koľajníc Monotónny nárast napäťových koľajníc Rýchle prechody výkonu Presnosť napätia Individuálne požiadavky na prúd Skutočná spotreba prúdu akéhokoľvek FPGA do značnej miery závisí od prípadu použitia. Rôzne taktovanie a rôzny obsah FPGA vyžadujú rôzne množstvá energie. Z tohto dôvodu sa konečná špecifikácia napájacieho zdroja pre typický dizajn FPGA musí zmeniť počas procesu návrhu systému FPGA. Výrobcovia FPGA dodávajú nástroje na odhad výkonu, ktoré pomáhajú vypočítať druh úrovne výkonu, ktorý bude riešenie potrebovať. Tieto informácie je celkom užitočné mať pred vytvorením skutočného hardvéru. Napriek tomu musí byť návrh FPGA konečný, alebo aspoň blízko konečnému, aby sa dosiahli zmysluplné výsledky s takýmito odhadmi výkonu. Inžinieri často navrhujú napájací zdroj s ohľadom na maximálny prúd FPGA. Potom, ak sa ukáže, že skutočný dizajn FPGA vyžaduje menej energie, zmenšia napájanie. Sekvenovanie napäťových koľajníc Mnoho FPGA vyžaduje rôzne koľajnice napájacieho napätia, aby prišli v špecifickom poradí. Často je potrebné dodať napätie jadra skôr, ako sa zvýšia I/O napätia. V opačnom prípade dôjde k poškodeniu niektorých FPGA. Aby ste tomu zabránili, napájanie musí byť usporiadané v správnom poradí. Jednoduché vzostupné sekvenovanie sa dá ľahko vykonať pomocou aktivačných kolíkov na štandardných prevodníkoch jednosmerného prúdu na jednosmerný prúd. Zvyčajne sa však vyžaduje aj riadené zostupné sekvenovanie. Je ťažké dosiahnuť dobrý výsledok, keď sa vykonáva iba sekvenovanie pinov. Lepším riešením je použiť PMIC s pokročilými integrovanými funkciami sekvenovania, ako je napríklad ADP5014. Špeciálny obvodový blok, ktorý umožňuje nastaviteľné zostupné poradie smerom nahor a v opačnom poradí, je na obrázku 2 označený červenou farbou. Obrázok 2. ADP5014 PMIC s integrovanou podporou flexibilného vzostupného a zostupného sekvenovania. Obrázok 3 ukazuje sekvenovanie vykonané s týmto zariadením. Časové oneskorenie pre vzostupnú a zostupnú sekvenciu možno ľahko nastaviť pomocou kolíkov oneskorenia (DL) na ADP5014. V prípade použitia jednotlivých napájacích zdrojov sa o požadované zapnutie/vypnutie sekvencie môže postarať dodatočný sekvenčný čip. Jedným príkladom je LTC2924, ktorý môže ovládať buď povoľovacie kolíky prevodníkov jednosmerného prúdu na jednosmerný prúd na zapínanie a vypínanie napájacích zdrojov, alebo môže poháňať vysokostranné N kanálové MOSFETy na pripojenie a odpojenie FPGA k určitej napäťovej koľajnici. Obrázok 3. Postupnosť spúšťania a vypínania viacerých napájacích napätí FPGA. Monotónny nárast napäťových koľajníc Okrem postupnosti napätia môže byť potrebný aj monotónny nárast napätí počas spúšťania. To znamená, že napätie bude rásť iba lineárne, ako ukazuje napätie A na obrázku 4. Napätie B v tomto grafe ukazuje príklad napätia, ktoré nestúpa monotónne. To sa môže stať, keď záťaž začne ťahať veľké prúdy pri určitej úrovni napätia počas spúšťania. Jedným zo spôsobov, ako tomu zabrániť, je umožniť dlhší mäkký štart napájacieho zdroja a zvoliť výkonové meniče, ktoré dokážu rýchlo dodať veľké množstvo prúdu. Obrázok 4. Napätie A stúpa monotónne, pričom napätie B nerastie monotónne. Rýchle prechody výkonu Ďalšou charakteristikou FPGA je, že FPGA veľmi rýchlo začnú čerpať vysoké prúdy. Spôsobujú vysoko zaťažené prechodové javy na napájacom zdroji. Z tohto dôvodu mnohé FPGA vyžadujú rozsiahle oddelenie vstupného napätia. Keramické kondenzátory sa používajú veľmi tesne medzi kolíkmi VCORE a GND zariadenia. Hodnoty do 1 mF sú celkom bežné. Takáto vysoká kapacita pomáha znižovať požiadavky na napájacie zdroje, aby poskytovali veľmi vysoké špičkové prúdy. Avšak mnohé spínacie regulátory a LDO majú špecifikovanú maximálnu výstupnú kapacitu. Požiadavka na vstupnú kapacitu FPGA môže prekročiť maximálnu povolenú výstupnú kapacitu napájacieho zdroja. Napájacie zdroje nemajú radi veľké výstupné kondenzátory, pretože počas spúšťania táto kondenzátorová banka vyzerá ako skrat na výstupe do spínacieho regulátora. Na tento problém existuje riešenie. Dlhý čas mäkkého štartu môže umožniť, aby sa napätie na veľkej kondenzátorovej banke spoľahlivo zdvihlo bez toho, aby napájanie prešlo do režimu obmedzenia skratového prúdu. Obrázok 5. Požiadavka na vstupný kondenzátor mnohých FPGA. Ďalším dôvodom, prečo niektoré výkonové meniče nemajú radi nadmernú výstupnú kapacitu, je to, že táto hodnota kapacity sa stáva súčasťou regulačnej slučky. Prevodníky s integrovanou kompenzáciou slučky neumožňujú nadmernú výstupnú kapacitu, aby sa zabránilo nestabilite slučky regulátora. Často existujú spôsoby, ako ovplyvniť regulačnú slučku pomocou doprednej kapacity cez odpor spätnej väzby na vysokej strane, ako je znázornené na obrázku 6. Obrázok 6. Dopredný kondenzátor, ktorý umožňuje nastavenie riadiacej slučky, keď nie je k dispozícii kolík kompenzácie slučky. Pre prechodné zaťaženie a správanie pri štarte napájacieho zdroja je veľmi užitočný reťazec vývojových nástrojov vrátane LTpowerCAD a najmä LTspice. Jedným z efektov, ktorý sa dobre hodí na modelovanie a simuláciu, je oddelenie veľkých vstupných kondenzátorov FPGA od výstupných kondenzátorov napájacieho zdroja. Obrázok 6 znázorňuje tento koncept. Zatiaľ čo napájací zdroj POL (point-of-load) má tendenciu byť umiestnený blízko záťaže, medzi napájacím zdrojom a vstupným kondenzátorom FPGA sa často vyskytuje určitá stopa PCB. Ak je na doske viacero vstupných kondenzátorov FPGA vedľa seba, tie, ktoré sú najďalej od zdroja, budú mať menší vplyv na prenosovú funkciu zdroja, pretože medzi nimi existuje určitý odpor, ale aj parazitná stopová indukčnosť. . Tieto parazitné indukčnosti dosky môžu umožniť, aby vstupná kapacita FPGA bola väčšia ako maximálny limit výstupnej kapacity napájacieho zdroja, aj keď sú všetky kondenzátory pripojené k rovnakému uzlu na doske. V LTspice môžu byť do schémy pridané parazitné stopové indukčnosti a takéto efekty môžu byť modelované. Výsledky simulácie sú blízke realite, keď sú do modelovania obvodu zahrnuté adekvátne parazitné komponenty. Obrázok 7. Parazitné oddelenie medzi výstupnými kondenzátormi zdroja a vstupnými kondenzátormi FPGA. Presnosť napätia Presnosť napätia napájacieho zdroja FPGA musí byť zvyčajne dosť vysoká. Pomerne bežné je pásmo tolerancie variácií iba 3 %. Napríklad udržiavanie koľajnice s jadrom Stratix V pri napätí 0.85 V v rozsahu presnosti napätia 3 % vyžaduje úplné tolerančné pásmo iba 25.5 mV. Toto malé okno zahŕňa zmeny napätia po prechodoch záťaže, ako aj presnosť jednosmerného prúdu. Opäť platí, že dostupný reťazec nástrojov napájania vrátane LTpowerCAD a LTspice je nevyhnutný v procese návrhu napájania pre takéto prísne požiadavky. Posledná rada sa týka výberu vstupných kondenzátorov FPGA. Na rýchle dodávanie veľkých prúdov sa zvyčajne vyberajú keramické kondenzátory. Na tento účel fungujú dobre, ale je potrebné ich vybrať tak, aby ich skutočná hodnota kapacity neklesla s jednosmerným predpätím.

Zanechajte správu 

zoznam správ