A rendszerszintű tervezés jól ellátja az FPGA-kat; Beágyazott fejlesztő eszközök; Electronicsnet
2011. október 25., 8:58 | írta Jeff Perry
A modern FPGA-k nagyszámú fogyasztója ennek megfelelően összetetté teszi ezen alkatrészek tápegységeinek kialakítását. Nem elég egyszerűen megadni a szükséges feszültséget és áramerősséget, mert minden fogyasztónak egyedi követelményei lehetnek a feszültség hullámzása, az interferencia kiszűrése, a tápfeszültség elválasztása és a lágyindítási tulajdonságok tekintetében. A fejlesztőknek gyakran kompromisszumokat kell kötniük; Speciális eszközök segítenek a mérlegelésben.
A fogyasztók nagy energiaigénye gyakran megköveteli az egyenáramú/egyenáramú kapcsolószabályozók használatát, így az interferenciát és a feszültség hullámzását itt is ellenőrzés alatt kell tartani. Ezen túlmenően a tápegység architektúrája úgy alakítható ki, hogy egy vagy több közbenső feszültség kerüljön a bemeneti feszültség és a terhelési pont szabályozók (PoL) közé.
Az ilyen megoldás elfogadásáról szóló döntés viszont visszahathat az áramellátás tervezésének hatékonyságára, lábnyomára és költségeire. Ezen felül az egyes tápegységek optimalizálhatók a magasabb szintű tervezési előírások megvalósítása érdekében. A National Semiconductor „Webench FPGA Power Architect” online tervezőeszköze hasznos lehet a különböző megközelítések értékelésénél.
A tervezés elején meg kell határozni, hogy az adott FPGA mely követelményeket támasztja az áramellátással. Ez a feladat bármi más lehet, mivel könnyű, mert a vonatkozó adatok számos adatlapon és más dokumentumban megtalálhatók. Ban ben Asztal 1 összefoglalja az FPGA-k fontos tápellátási specifikációit.
| elektromosság | Teljesítménybecslés, táblázatok, teljesítményszimulátor | A tápegység méretei, hatékonysága, hőtermelése és költségei | A kapcsolási frekvencia meghatározása, az alkatrészek optimalizálása |
| feszültség | FPGA adatlap, pinout leírás | Az alkatrészek értékei és tűrései, egyenáramú hullámzás, váltakozó áramú tranziensek, túllépés és alulhaladás | Szűk tűrésekkel rendelkező alkatrészek, kimeneti kondenzátorok alacsony ESR-rel, kritikusan csillapított vezérlőhurokkal, rendszer szimulációval |
| Zavarások | FPGA adatlap, jegyzetek és lábjegyzetek | Kapcsolási hibák, keresztszabályozás a fogyasztók között | Relief hálózatok, interferencia szűrők, külön tápegységek kapcsolása |
| Szekvenálás, indítási tulajdonságok | FPGA adatlap, jegyzetek és lábjegyzetek | Latch-up effektek, bekapcsolási áram | Lágy indítás, IC szekvenálása |
Az egyes fogyasztók energiaigényének meghatározása érdekében a legtöbb FPGA-gyártó úgynevezett "Teljesítmény-becslési táblázatokkal" rendelkezik, amelyekkel az FPGA-ban felhasznált erőforrásoktól függően kiszámítható az energiafogyasztás és a terhelési áram. Ezen felül használhatja az FPGA gyártók kifinomultabb szimulátorait. A biztonság kedvéért kb. 25% -os pótdíjat kell hozzáadni az így becsült terhelési áramokhoz.
További követelmény a fogyasztó feszültség-specifikációja, amely kezdetben az FPGA adatlapján szereplő minimális és maximális feszültség specifikációjára korlátozódhat. Számos egyéb tényező azonban releváns a tápegység kialakítása szempontjából, például eltolások az áramellátásban lévő visszacsatolási ellenállás hálózat miatt, az ellenállási tűrések és a visszacsatolási referencia tűrése a vezérlőben.
Figyelembe kell venni a kapcsolószabályozó hullámzását is, ezáltal fontos megkülönböztetni a statikus vagy egyenáramú hullámot és a rövid távú alul- és túllépéseket. Ezenkívül nagyfrekvenciás (10 MHz vagy nagyobb) kapcsolási interferencia is jelen lehet.
1. ábra: A görbék egy kapcsolt üzemmódú tápegység reakcióját mutatják, amelyet a Webench FPGA Power Architect szimulált
1. kép a Webench FPGA Power Architect által szimulált terhelésugrást mutatja. Látható a Vout eltolása, a statikus hullámzás, valamint a túllépés és az alulhaladás. Az érzékeny fogyasztók, például a PLL funkciók (fáziszárt hurok) esetén külön szűrőre lehet szükség a hullámzás csökkentéséhez. Azt is el kell dönteni, hogy több fogyasztó csatlakoztatható-e egy tápegységhez együtt, ami csökkentené a költségeket, vagy előnyösebb-e külön ellátás (pl. Interferenciára érzékeny fogyasztók számára).
A lágyindítás alkalmas szekvenálási célokra annak biztosítására, hogy az egyik tápfeszültség aktiválódjon a másik után, és ne legyenek reteszelő hatások. Használható a bekapcsolási áram korlátozására és a feszültség monoton növekedésének biztosítására is. Az olyan tervezőeszközök, mint a Power Architect, a szükséges információkat központilag elérhetővé teszik, amint a felhasználó elhatározta az adott FPGA-t.
Tápellátási architektúrák
A tápellátás követelményeinek meghatározása után ki kell választani a tápegység architektúráját. Előnyös lehet egy vagy több közbenső feszültség biztosítása a bemeneti oldalon lévő egyenfeszültség és a PoL szabályozók között. Ennek egyik oka az, hogy ebben az esetben csak egyetlen szabályozóra van szükség a nagyfeszültségű alkatrészekkel, amelyek általában drágábbak és több helyet foglalnak el. Ezenkívül az aszinkron bak konverterek kiváló minőségű, magas oldalsó MOSFET-mel általában hatékonyabban működnek nagyobb terhelési ciklusok esetén.
Egy további közbenső szabályozó használata a bemeneti feszültség csökkentésére tehát javíthatja az általános hatékonyságot.
2. ábra: Ez a Webench FPGA Power Architect által készített diagram szemlélteti a különféle tápegység-architektúrák hatékonyságát, helyigényét és alkatrészköltségeit
2. kép összehasonlítja a különböző közbenső feszültségkonfigurációkat a hatékonyság és a helyigény szempontjából változatlan bemeneti feszültséggel és kimeneti teljesítménnyel. A teljesen közbenső feszültség nélküli változat a legkevesebb vezérlővel kezelhető, de a legtöbb helyet igényli és a legkisebb hatékonyságot éri el.
A legnagyobb hatékonyságot és a legkisebb méreteket két, 12 V és 5 V feszültségű közbenső feszültség kínálja, amelyek a PoL feszültség közelében helyezkednek el. A rendszer architektúrájának megfontolása után most kérdés, hogy az egyes kapcsoló átalakítók hogyan optimalizálhatók, alacsony helyigény, magas hatékonyság és alacsony költségek kielégítésére.
A kapcsolási frekvencia itt nagyon meghatározó tényező. A magas kapcsolási frekvenciák lehetővé teszik a kisebb fojtótekercs használatát, mivel a kapcsoló bekapcsolási intervallumai rövidebbek.
Ennek következménye egy kisebb lábnyom. Másrészt a kapcsolási veszteségek magas frekvenciákon növekednek, ami befolyásolja a hatékonyságot.
A költségek általában alacsonyabbak magasabb kapcsolási frekvenciáknál, mivel a kisebb alkatrészek általában olcsóbbak. Ezzel szemben az alacsony kapcsolási frekvencia csökkenti a kapcsolási veszteségeket, így a hatékonyság növekszik. Annak érdekében, hogy megakadályozzuk a kapcsolt áramok túlzott növekedését, nagyobb fojtóra van szükség, amely ennek megfelelően növeli az alapterületet.
A nagyobb fojtó is felemelheti az árat. Az egyes tápegységek optimalizálása az átfogó célkitűzés figyelembevételével lehetőséget kínál a teljes FPGA energiaellátási rendszer széleskörű modulálására. A rendszer hatékonysága 84% és 94%, a helyigény pedig 1,4 cm2 és 6,4 cm2 között van. A költségek 14,08 és 31,53 USD között mozognak.
A szerzőről:
Jeff Perry a National Semiconductor WEBENCH csapatának vezető menedzsere.