Управление питанием для ПЛИС

Было много технических дискуссий о разработке хорошего решения для управления питанием для приложения FPGA, поскольку это нетривиальная задача. Один аспект этой задачи заключается в поиске правильного решения и выборе наиболее подходящего продукта для управления питанием, а другой - в том, как оптимизировать фактическое решение для использования с ПЛИС. Поиск подходящего решения для источника питания Найти наилучшее решение для питания ПЛИС непросто. Многие производители продают определенные продукты как подходящие для питания ПЛИС. Что делает выбор преобразователей постоянного тока особенным для питания ПЛИС? Немного. Как правило, для питания ПЛИС можно использовать все преобразователи мощности. Рекомендации для определенных продуктов обычно основаны на том факте, что для многих приложений FPGA требуется несколько шин напряжения, например, для ядра FPGA, ввода-вывода и, возможно, дополнительной шины для оконечной нагрузки памяти DDR. Часто предпочтительнее использовать PMIC (интегральные схемы управления питанием), в которых несколько преобразователей постоянного тока объединены в одну микросхему регулятора. Один из популярных способов найти хорошее решение для питания конкретной ПЛИС - использовать уже существующие эталонные схемы управления питанием, которые предлагают многие поставщики ПЛИС. Это хорошая отправная точка для оптимизации дизайна. Однако модификации таких конструкций часто необходимы, поскольку система с ПЛИС обычно требует дополнительных шин напряжения и нагрузок, которые также необходимо запитать. Также часто необходимы дополнения к эталонному дизайну. Также следует учитывать, что входная мощность ПЛИС не фиксирована. Входное напряжение сильно зависит от реальных логических уровней и конструкции, которую реализует FPGA. После завершения модификации эталонного дизайна управления питанием он будет отличаться от исходного предложенного эталонного дизайна. Можно утверждать, что лучшим решением является даже не заморачиваться с эталонным дизайном управления питанием, а ввести необходимые шины напряжения и токи прямо в инструмент выбора и оптимизации управления питанием, такой как LTpowerCAD от Analog Devices. Рисунок 1. Инструмент LTpowerCAD для выбора правильных преобразователей постоянного тока для питания ПЛИС. LTpowerCAD можно использовать для создания решения по питанию отдельных шин напряжения. Он также предлагает коллекцию эталонных дизайнов, что дает дизайнерам хорошую отправную точку. LTpowerCAD можно бесплатно загрузить с веб-сайта Analog Devices. После выбора архитектуры питания и отдельных преобразователей напряжения нам необходимо выбрать подходящие пассивные компоненты и спроектировать источник питания. При этом мы должны помнить об особых требованиях к нагрузке ПЛИС. К ним относятся: Индивидуальные требования по току Последовательность шин напряжения Монотонный рост шин напряжения Быстрые переходные процессы мощности Точность напряжения Индивидуальные требования по току Фактическое потребление тока любой FPGA сильно зависит от варианта использования. Различная тактовая частота и разное содержимое FPGA требуют разного количества энергии. Из-за этого окончательная спецификация источника питания для типичного проекта FPGA обязательно изменится в процессе проектирования системы FPGA. Производители ПЛИС предоставляют инструменты оценки мощности, которые помогают рассчитать уровень мощности, необходимый для решения. Эта информация весьма полезна до создания реального оборудования. Тем не менее, проект FPGA должен быть окончательным или, по крайней мере, близким к окончательному, чтобы получить значимые результаты с такими оценщиками мощности. Часто инженеры проектируют блоки питания с учетом максимального тока FPGA. Затем, если выясняется, что реальная конструкция FPGA требует меньше энергии, они уменьшают мощность источника питания. Последовательность шин напряжения Для многих ПЛИС требуются разные шины напряжения питания в определенной последовательности. Часто напряжение ядра необходимо подать до того, как появятся напряжения ввода / вывода. В противном случае некоторые ПЛИС будут повреждены. Чтобы этого избежать, необходимо установить последовательность подачи питания в правильном порядке. Простое упорядочение может быть легко выполнено с помощью разрешающих контактов на стандартных преобразователях постоянного тока в постоянный. Однако обычно также требуется контролируемая понижающая последовательность. Трудно добиться хорошего результата, когда выполняется только включение последовательности выводов. Лучшее решение - использовать PMIC с расширенными встроенными функциями секвенирования, такими как ADP5014. Специальный блок схемы, который позволяет настраивать повышающую и обратную последовательность понижения, обозначен красным на рисунке 2. Рисунок 2. ADP5014 PMIC со встроенной поддержкой гибкого упорядочивания вверх и вниз. На рисунке 3 показана последовательность действий, выполненная с помощью этого устройства. Временную задержку для последовательного переключения вверх и вниз можно легко отрегулировать с помощью контактов задержки (DL) на ADP5014. Если используются отдельные источники питания, дополнительная микросхема последовательности может позаботиться о требуемой последовательности включения / выключения. Одним из примеров является LTC2924, который может управлять либо разрешающими выводами преобразователей постоянного тока для включения и выключения источников питания, либо он может управлять полевыми МОП-транзисторами с N-каналом верхнего плеча для присоединения и отсоединения FPGA от определенной шины напряжения. Рисунок 3. Последовательность включения и выключения нескольких напряжений питания ПЛИС. Монотонный рост напряжения на шинах Помимо упорядочивания напряжения, может также потребоваться монотонный рост напряжений во время запуска. Это означает, что напряжение будет расти только линейно, как показано напряжением A на рисунке 4. Напряжение B на этом графике показывает пример не монотонного роста напряжения. Это может произойти, когда нагрузка начинает тянуть большие токи при определенном уровне напряжения во время запуска. Один из способов предотвратить это - обеспечить более длительный плавный пуск источника питания и выбрать преобразователи мощности, которые могут быстро подавать большой ток. Рисунок 4. Напряжение A монотонно растет, а напряжение B не растет монотонно. Быстрые переходные процессы питания Еще одной характеристикой ПЛИС является то, что ПЛИС очень быстро начинают потреблять большие токи. Они вызывают высокие переходные процессы при нагрузке на источник питания. По этой причине многие ПЛИС требуют обширной развязки входного напряжения. Керамические конденсаторы используются очень близко между контактами VCORE и GND устройства. Значения до 1 мФ довольно распространены. Такая высокая емкость помогает снизить потребность в источниках питания для обеспечения очень высоких пиковых токов. Однако для многих импульсных стабилизаторов и LDO-стабилизаторов задана максимальная выходная емкость. Требуемая входная емкость FPGA может превышать максимально допустимую выходную емкость источника питания. Источники питания не любят больших выходных конденсаторов, так как при запуске эта конденсаторная батарея выглядит как короткое замыкание на выходе импульсного регулятора. Есть решение этой проблемы. Длительное время плавного пуска может обеспечить надежное повышение напряжения на большой конденсаторной батарее без перехода источника питания в режим ограничения тока короткого замыкания. Рисунок 5. Требования к входному конденсатору многих ПЛИС. Другая причина, по которой некоторые преобразователи мощности не любят чрезмерную выходную емкость, заключается в том, что это значение емкости становится частью контура регулирования. Преобразователи со встроенной компенсацией контура не допускают чрезмерной выходной емкости для предотвращения нестабильности контура регулятора. Часто есть способы повлиять на контур управления, используя емкость прямой связи через резистор обратной связи на стороне высокого напряжения, как показано на рисунке 6. Рисунок 6. Конденсатор прямой связи, позволяющий регулировать контур управления, когда вывод компенсации контура недоступен. При переходных режимах нагрузки и запуске источника питания цепочка инструментов разработки, включая LTpowerCAD и особенно LTspice, очень полезна. Одним из эффектов, который хорошо поддается моделированию и симуляции, является разделение больших входных конденсаторов ПЛИС от выходных конденсаторов источника питания. На рисунке 6 показана эта концепция. Хотя источник питания POL (точка нагрузки) имеет тенденцию располагаться близко к нагрузке, часто между источником питания и входным конденсатором ПЛИС остается след на печатной плате. Когда на плате есть несколько входных конденсаторов FPGA, расположенные рядом друг с другом, те, которые находятся дальше всего от источника питания, будут иметь меньшее влияние на передаточную функцию источников питания, поскольку между ними есть некоторое сопротивление, но также и паразитная индуктивность следа. . Эти паразитные индуктивности платы могут позволить входной емкости FPGA быть больше, чем максимальный предел выходной емкости источника питания, даже если все конденсаторы подключены к одному и тому же узлу на плате. В LTspice паразитные следовые индуктивности могут быть добавлены к схеме, и такие эффекты могут быть смоделированы. Результаты моделирования близки к реальности, если в схемотехническое моделирование включены адекватные паразитные компоненты. Рисунок 7. Паразитная развязка между выходными конденсаторами источника питания и входными конденсаторами ПЛИС. Точность напряжения Точность напряжения источника питания FPGA обычно должна быть достаточно высокой. Диапазон допуска вариации всего 3% - довольно распространенное явление. Например, для поддержания напряжения 0.85 В сердечника Stratix V в пределах диапазона точности 3% требуется полный диапазон допуска всего 25.5 мВ. Это маленькое окно включает изменение напряжения после переходных процессов нагрузки, а также точность измерения постоянного тока. Опять же, доступная цепочка инструментов питания, включая LTpowerCAD и LTspice, необходима в процессе проектирования источников питания для таких строгих требований. Последний совет касается выбора входных конденсаторов FPGA. Чтобы они быстро подавали большие токи, обычно выбирают керамические конденсаторы. Они хорошо подходят для этой цели, но их нужно выбирать так, чтобы их истинное значение емкости не падало с напряжением смещения постоянного тока.

Оставить сообщение 

Список сообщений