Proiectarea la nivel de sistem alimentează bine FPGA-urile; Instrumente de dezvoltare încorporate; Electronicsnet
25 octombrie 2011, 8:58 | | de Jeff Perry
Numărul mare de consumatori din FPGA-urile moderne face complexă proiectarea surselor de alimentare pentru aceste componente. Nu este suficient să furnizați pur și simplu tensiunea și puterea de curent necesare, deoarece fiecare consumator poate avea cerințe individuale în ceea ce privește ondularea tensiunii, filtrarea interferențelor, separarea tensiunilor de alimentare și proprietățile de pornire soft. Dezvoltatorii trebuie adesea să facă compromisuri; Instrumentele specializate ajută la cântărire.
Cererea mare de energie a consumatorului necesită adesea utilizarea regulatoarelor de comutare DC/DC, prin care perturbările și valul de tensiune trebuie ținute sub control. În plus, arhitectura sursei de alimentare poate fi proiectată astfel încât una sau mai multe tensiuni intermediare să fie introduse între tensiunea de intrare și regulatoarele punctului de sarcină (PoL).
Decizia de a adopta o astfel de soluție poate avea, la rândul său, repercusiuni asupra eficienței, amprentei și costului proiectării generale a sursei de alimentare. În afară de aceasta, sursele individuale de alimentare pot fi optimizate pentru a implementa specificațiile de proiectare de nivel superior. Instrumentul de proiectare online "Webench FPGA Power Architect" de la National Semiconductor poate fi util la evaluarea diferitelor abordări.
La începutul proiectării, trebuie să se stabilească ce cerințe plasează FPGA în sursa de alimentare. Această sarcină poate fi oricât de ușoară, deoarece datele relevante pot fi găsite într-un număr mare de foi de date și alte documente. În tabelul 1 rezumați specificațiile importante de alimentare cu energie ale FPGA-urilor.
| electricitate | Estimarea puterii, foi de calcul, Power Simulator | Dimensiunile, eficiența, generarea de căldură și costurile unității de alimentare | Determinarea frecvenței de comutare, optimizarea componentelor |
| tensiune | Foaie de date FPGA, descriere pinout | Valorile și toleranțele componentelor, ondularea continuă, tranzitorii alternativi, depășirea și depășirea | Componente cu toleranțe strânse, condensatori de ieșire cu ESR scăzut, buclă de control amortizată critic, simulare a sistemului |
| Perturbări | Foaie de date FPGA, note și note de subsol | Defecțiuni de comutare, reglare încrucișată între consumatori | Comutarea rețelelor de relief, a filtrelor de interferență, a surselor de alimentare separate |
| Secvențierea, proprietăți de pornire | Foaie de date FPGA, note și note de subsol | Efecte de blocare, curent de intrare | Pornire ușoară, secvențierea IC |
Pentru a determina cerințele de energie ale fiecărui consumator, majoritatea producătorilor de FPGA furnizează așa-numitele "foi de calcul pentru estimarea puterii" cu ajutorul cărora consumul de energie și curenții de sarcină pot fi calculați în funcție de resursele utilizate în FPGA. Puteți utiliza, de asemenea, simulatoarele mai sofisticate de la producătorii FPGA. Pentru a fi în siguranță, ar trebui adăugată o suprataxă de aproximativ 25% curenților de sarcină estimate în acest fel.
O altă cerință este specificarea tensiunii consumatorului, care poate fi limitată inițial la specificația tensiunii minime și maxime din fișa tehnică a FPGA. Cu toate acestea, o serie de alți factori sunt relevanți pentru proiectarea sursei de alimentare, cum ar fi compensările datorate rețelei de rezistență de feedback în sursa de alimentare, toleranțelor de rezistență și toleranței referinței de feedback în controler.
Trebuie luată în considerare și ondularea regulatorului de comutare, prin care este important să se facă diferența dintre ondularea statică sau continuă și subdirecțiile și depășirile pe termen scurt. În plus, pot fi prezente interferențe de comutare de înaltă frecvență (10 MHz sau mai mult).
Fig. 1: Curbele arată reacția unei surse de alimentare în modul comutat simulată de Webench FPGA Power Architect
Imaginea 1 arată un salt de sarcină simulat de Webench FPGA Power Architect. Un offset la Vout, ondularea statică și depășirea și depășirea pot fi văzute. În cazul consumatorilor sensibili, cum ar fi funcțiile PLL (buclă blocată în fază), poate fi necesar un filtru separat pentru a reduce ondularea. De asemenea, trebuie decis dacă mai mulți consumatori pot fi conectați împreună la o singură sursă de energie, ceea ce ar reduce costurile sau dacă este preferabilă o sursă separată (de exemplu pentru consumatorii sensibili la interferențe).
Pornirea ușoară este potrivită în scopuri de secvențiere pentru a se asigura că o tensiune de alimentare este activată după cealaltă și că nu există efecte de blocare. Poate fi folosit și pentru a limita curentul de intrare și pentru a asigura o creștere monotonă a tensiunii. Instrumentele de proiectare, cum ar fi Power Architect, pun la dispoziția centrală informațiile necesare de îndată ce utilizatorul a decis un FPGA specific.
Arhitecturi de alimentare
Odată ce au fost determinate cerințele de alimentare, trebuie selectată arhitectura sursei de alimentare. Poate fi avantajos să se furnizeze una sau mai multe tensiuni intermediare între tensiunea continuă pe partea de intrare și regulatoarele PoL. Un motiv pentru aceasta este că, în acest caz, aveți nevoie doar de un singur regulator cu componente pentru tensiuni ridicate, care tind să fie mai scumpe și ocupă mai mult spațiu. În plus, convertoarele asincrone cu un MOSFET de înaltă calitate, de înaltă calitate, funcționează de obicei mai eficient la cicluri de funcționare mai mari.
Prin urmare, utilizarea unui regulator intermediar suplimentar pentru a reduce tensiunea de intrare poate îmbunătăți eficiența generală.
Figura 2: Această diagramă generată de Webench FPGA Power Architect ilustrează eficiența, cerințele de spațiu și costurile componentelor diferitelor arhitecturi de alimentare cu energie electrică
imaginea 2 compară diferite configurații de tensiune intermediară în termeni de eficiență și cerințe de spațiu cu tensiune de intrare și putere de ieșire neschimbate. Varianta complet fără tensiune intermediară se gestionează cu cele mai puține controlere, dar necesită cel mai mult spațiu și atinge cea mai mică eficiență.
Cea mai mare eficiență și cele mai mici dimensiuni sunt oferite de designul cu două tensiuni intermediare de 12 V și 5 V, care sunt situate în apropierea tensiunilor PoL. După luarea în considerare a arhitecturii sistemului, acum se pune problema modului în care pot fi optimizate proiectele individuale ale convertorului de comutare, dorințele pentru a satisface cerințe de spațiu reduse, eficiență ridicată și costuri reduse.
Frecvența de comutare este un factor foarte decisiv aici. Frecvențele de comutare ridicate fac posibilă utilizarea unui sufocator mai mic, deoarece intervalele de pornire ale comutatorului sunt mai scurte.
Consecința este o amprentă mai mică. Pe de altă parte, pierderile de comutare cresc la frecvențe înalte, ceea ce este în detrimentul eficienței.
Costurile tind să fie mai mici la frecvențe de comutare mai mari, deoarece componentele mai mici sunt de obicei mai ieftine. În schimb, o frecvență redusă de comutare reduce pierderile de comutare, astfel încât eficiența crește. Pentru a preveni creșterea excesivă a curenților comutați, este necesar un sufocator mai mare, care mărește aria de bază în consecință.
Sufocarea mai mare poate crește, de asemenea, prețul. Optimizarea surselor individuale de alimentare în vederea atingerii unui obiectiv general stabilit oferă posibilitatea modularizării extinse a întregului sistem de alimentare FPGA. Eficiența sistemului este între 84% și 94%, iar spațiul necesar între 1,4 cm2 și 6,4 cm2. Costul variază de la 14,08 USD la 31,53 USD.
Despre autor:
Jeff Perry este Senior Manager Echipa WEBENCH la National Semiconductor.