Upravljanje napajanjem za FPGA

Bilo je mnogo tehničkih rasprava o dizajniranju dobrog rješenja za upravljanje napajanjem za FPGA aplikaciju, jer to nije trivijalan zadatak. Jedan aspekt ovog zadatka uključuje pronalaženje pravog rješenja i odabir najprikladnijeg proizvoda za upravljanje napajanjem, dok je drugi kako optimizirati stvarno rješenje za korištenje s FPGA. Pronalaženje pravog rješenja za napajanje Pronalaženje najboljeg mogućeg rješenja za napajanje FPGA uređaja nije jednostavno. Mnogi dobavljači prodaju određene proizvode kao prikladne za napajanje FPGA. Što čini odabir dc-to-dc pretvarača specifičnim za napajanje FPGA? Ne mnogo. Općenito, svi pretvarači snage mogu se koristiti za napajanje FPGA. Preporuke za određene proizvode obično se temelje na činjenici da mnoge FPGA aplikacije zahtijevaju višestruke naponske tračnice, kao što su za FPGA jezgru, I/Os i eventualno dodatnu tračnicu za završetak DDR memorije. Često se preferiraju PMIC (integrirani krugovi za upravljanje napajanjem), gdje je više dc-to-dc pretvarača integrirano u jedan jedini regulatorni čip. Jedan popularan način za pronalaženje dobrog rješenja za napajanje određenog FPGA je korištenje već postojećih referentnih dizajna upravljanja napajanjem, koje nude mnogi dobavljači FPGA. Ovo je dobra polazna točka za optimizirani dizajn. Međutim, modifikacije takvih dizajna često su potrebne, budući da sustav s FPGA obično zahtijeva dodatne naponske tračnice i opterećenja koja također moraju biti napajana. Često su potrebni i dodaci referentnom dizajnu. Još jedna stvar koju treba uzeti u obzir je da ulazna snaga FPGA nije fiksna. Ulazni napon uvelike ovisi o stvarnim logičkim razinama i dizajnu koji FPGA implementira. Nakon dovršetka izmjene referentnog dizajna upravljanja napajanjem, on će izgledati drugačije od izvornog prijedloga referentnog dizajna. Može se tvrditi da je najbolje rješenje čak ni ne zamarati se s referentnim dizajnom upravljanja napajanjem, već unijeti potrebne naponske tračnice i struje izravno u alat za odabir i optimizaciju upravljanja napajanjem kao što je LTpowerCAD iz Analog Devices. Slika 1. LTpowerCAD alat za odabir pravih dc-to-dc pretvarača za napajanje FPGA. LTpowerCAD se može koristiti za osmišljavanje rješenja napajanja za pojedinačne naponske tračnice. Također nudi kolekciju referentnih dizajna, pružajući dizajnerima dobru polaznu točku. LTpowerCAD se može besplatno preuzeti s web stranice Analog Devices. Nakon što je odabrana arhitektura napajanja i pojedinačni pretvarači napona, moramo odabrati prikladne pasivne komponente i projektirati napajanje. Kada to radimo, moramo imati na umu posebne zahtjeve opterećenja FPGA. To su: Individualni strujni zahtjevi Slijed naponske tračnice Monotoni porast naponskih tračnica Brzi tranzijenti snage Točnost napona Pojedinačni zahtjevi struje Stvarna potrošnja struje bilo kojeg FPGA uvelike ovisi o slučaju upotrebe. Različiti takt i različiti FPGA sadržaj zahtijevaju različite količine energije. Zbog toga se konačna specifikacija napajanja za tipični FPGA dizajn mora promijeniti tijekom procesa projektiranja FPGA sustava. Proizvođači FPGA isporučuju alate za procjenu snage koji pomažu izračunati vrstu razine snage koju će rješenje trebati. Ove je informacije vrlo korisno imati prije nego što se izgradi stvarni hardver. Ipak, dizajn FPGA mora biti konačan, ili barem blizu konačnog, kako bi se dobili smisleni rezultati s takvim procjeniteljima snage. Često inženjeri dizajniraju napajanje imajući na umu maksimalnu struju FPGA. Zatim, ako se pokaže da stvarni FPGA dizajn zahtijeva manje energije, oni smanjuju napajanje. Slijed naponske tračnice Mnogi FPGA-i zahtijevaju različite tračnice napona kako bi se pojavile u određenom slijedu. Često se napon jezgre mora isporučiti prije nego što se pojave I/O naponi. Inače će neki FPGA biti oštećeni. Da bi se to izbjeglo, napajanje se mora rasporediti ispravnim redoslijedom. Jednostavno povećanje sekvence može se lako izvesti korištenjem pinova za omogućavanje na standardnim dc-to-dc pretvaračima. Međutim, obično je također potrebno kontrolirano niže sekvenciranje. Teško je postići dobar rezultat kada se izvodi samo omogućavanje sekvenciranja pinova. Bolje rješenje je korištenje PMIC-a s naprednim integriranim značajkama sekvenciranja, kao što je ADP5014. Posebni blok strujnog kruga koji omogućuje podesivo gore i obrnuti redoslijed nizanja označen je crvenom bojom na slici 2. Slika 2. ADP5014 PMIC s integriranom podrškom za fleksibilno gore-dolje sekvenciranje. Slika 3 prikazuje sekvenciranje obavljeno s ovim uređajem. Vremenska odgoda za gore-dolje sekvenciranje može se lako podesiti pomoću pinova odgode (DL) na ADP5014. Ako se koriste pojedinačni izvori napajanja, dodatni čip za sekvenciranje može se pobrinuti za potrebno sekvenciranje uključivanja/isključivanja. Jedan primjer je LTC2924, koji može kontrolirati ili omogućavanje pinova dc-to-dc pretvarača za uključivanje i isključivanje napajanja ili može pokretati visokostrane N kanalne MOSFET-ove za pričvršćivanje i odvajanje FPGA na određenu naponsku tračnicu. Slika 3. Redoslijed pokretanja i isključivanja višestrukih napona napajanja FPGA. Monotoni porast napona tračnica Osim sekvenciranja napona, može biti potreban i monotoni porast napona tijekom pokretanja. To znači da će napon rasti samo linearno, kao što pokazuje napon A na slici 4. Napon B na ovom grafikonu pokazuje primjer napona koji ne raste monotono. To se može dogoditi kada opterećenje počne povlačiti velike struje na određenoj razini napona tijekom pokretanja. Jedan od načina da se to spriječi je omogućavanje duljeg mekog pokretanja napajanja i odabir pretvarača koji mogu brzo opskrbiti velike količine struje. Slika 4. Napon A raste monotono, a napon B ne raste monotono. Brzi prijelazni procesi snage Još jedna karakteristika FPGA je da FPGA vrlo brzo počinju crtati velike struje. Oni uzrokuju prelazne procese visokog opterećenja na napajanju. Iz tog razloga, mnogi FPGA zahtijevaju opsežno razdvajanje ulaznog napona. Keramički kondenzatori se vrlo usko koriste između VCORE i GND pinova uređaja. Vrijednosti do 1 mF su prilično česte. Takav visoki kapacitet pomaže u smanjenju potražnje za izvorima napajanja za isporuku vrlo visokih vršnih struja. Međutim, mnogi prekidači regulatori i LDO imaju specificiran maksimalni izlazni kapacitet. Zahtjev za ulaznim kapacitetom FPGA može premašiti najveći dopušteni izlazni kapacitet napajanja. Napajanja ne vole velike izlazne kondenzatore jer, tijekom pokretanja, ova kondenzatorska banka izgleda kao kratki spoj na izlazu do prekidačkog regulatora. Za ovaj problem postoji rješenje. Dugo vrijeme mekog pokretanja može omogućiti da napon na velikoj kondenzatorskoj banci pouzdano dođe bez napajanja da pređe u režim ograničenja struje kratkog spoja. Slika 5. Zahtjevi za ulaznim kondenzatorom mnogih FPGA. Drugi razlog zašto neki pretvarači snage ne vole pretjeranu izlaznu kapacitivnost je taj što ta vrijednost kapacitivnosti postaje dio regulacijske petlje. Pretvarači s integriranom kompenzacijom petlje ne dopuštaju prekomjerni izlazni kapacitet kako bi se spriječila nestabilnost petlje regulatora. Često postoje načini da se utječe na kontrolnu petlju korištenjem kapacitivnosti naprijed na visokoj strani povratnog otpornika, kao što je prikazano na slici 6. Slika 6. Kondenzator naprijed kako bi se omogućilo podešavanje kontrolne petlje kada nije dostupan pin za kompenzaciju petlje. Za prolazno opterećenje i ponašanje pri pokretanju napajanja, lanac razvojnih alata uključujući LTpowerCAD i posebno LTspice je od velike pomoći. Jedan učinak koji je pogodan za modeliranje i simulaciju je odvajanje velikih ulaznih kondenzatora FPGA od izlaznih kondenzatora napajanja. Slika 6 prikazuje ovaj koncept. Dok se POL (point-of-load) napajanje obično nalazi blizu opterećenja, često postoji neki trag PCB-a između napajanja i FPGA ulaznog kondenzatora. Kada postoji više FPGA ulaznih kondenzatora jedan pored drugog na ploči, oni koji su najudaljeniji od napajanja imat će manji učinak na prijenosnu funkciju izvora napajanja, budući da između njih postoji određeni otpor, ali i induktivnost parazitskih tragova . Ove parazitske induktivnosti ploče mogu omogućiti da ulazni kapacitet FPGA bude veći od maksimalnog ograničenja izlaznog kapaciteta napajanja, iako su svi kondenzatori spojeni na isti čvor na ploči. U LTspiceu, induktivnosti parazitskih tragova mogu se dodati shemi i takvi se efekti mogu modelirati. Rezultati simulacije su bliski stvarnosti kada su adekvatne parazitske komponente uključene u modeliranje kruga. Slika 7. Parazitno razdvajanje između izlaznih kondenzatora napajanja i ulaznih FPGA kondenzatora. Preciznost napona Točnost napona FPGA napajanja obično mora biti prilično visoka. Raspon tolerancije varijacije od samo 3% je prilično uobičajen. Na primjer, držanje jezgrene tračnice Stratix V na 0.85 V unutar prozora točnosti napona od 3% zahtijeva potpuni raspon tolerancije od samo 25.5 mV. Ovaj mali prozor uključuje varijacije napona nakon prijelaza opterećenja, kao i istosmjernu točnost. Opet, raspoloživi lanac alata za napajanje, uključujući LTpowerCAD i LTspice, bitan je u procesu projektiranja napajanja za tako stroge zahtjeve. Posljednji savjet je u vezi s odabirom FPGA ulaznih kondenzatora. Da bi brzo isporučili velike struje, obično se biraju keramički kondenzatori. Oni dobro rade za tu svrhu, ali ih je potrebno odabrati tako da njihova stvarna vrijednost kapacitivnosti ne padne s istosmjernim prednaponom.

Ostavite poruku 

Lista Poruka