Основите на изграждането на FPGA енергийни системи

Програмируемите логически схеми поставят специални изисквания към дизайна на захранващите устройства. Статията разглежда конструктивните характеристики на Xilinx FPGA захранвания, използващи Semtech power IC.

Програмируемите логически интегрални схеми (FPGA), както FPGA, така и CPLD, се използват все повече в различни области и решават различни проблеми - от проста логика до цифрова обработка на сигнала и следователно те изискват различни нива на мощност, за да ги захранват. Като цяло мощността, необходима за захранване на FPGA, се определя от следните фактори: вида на FPGA, работната му честота, околната температура, броя на включените I/O линии и, разбира се, процента на използваните ресурси на FPGA.

Като цяло проектирането на FPGA захранване е инженерно предизвикателство. Всеки разработчик на FPGA публикува съответната документация за изграждането на силови вериги за своите устройства. За да опрости този процес, Xilinx разработи специален софтуерен инструмент за оценка на консумацията на енергия на FPGA - Xilinx Power Estimator [1].

Статията разглежда подробно проблемите на дизайна на FPGA енергийните системи.

Компонентите Semtech се разглеждат като елементна база за изграждане на енергийни системи. За тези цели компанията произвежда широка гама от интегрални схеми (ИС) с уникални характеристики, както линейни, така и импулсни. По този начин, използвайки само стабилизатори Semtech, е възможно напълно да се реши проблемът с захранването на всяка FPGA-базирана система.

Уникални изисквания за FPGA захранване

Основната функция на FPGA системата за управление на захранването е ясна: да осигури на FPGA и свързаните с него вериги стабилизирано напрежение във всички режими на работа в рамките на точно определени граници на промяна на натоварването. Но като правило това не е толкова лесно да се постигне, тъй като трябва да се вземат предвид следните фактори: промени в околната температура и ток на натоварване, колебания във входното напрежение. Освен това FPGA се различават значително по консумация на енергия от другите интегрални схеми.

FPGA реализира неограничен брой различни конфигурации на веригата, работещи на различни тактови честоти и следователно консумиращи различна мощност. И тъй като първоначалните данни за проектирането на FPGA захранващата система са консумацията на енергия, разработчикът трябва да има най-ясната представа за проектираната система и условията за нейната работа. За да направите това, трябва да определите:

  1. Тактова честота на FPGA (консумацията на енергия е пропорционална на честотата);
  2. броят на включените ресурси на FPGA;
  3. скоростта на трансфер на данни, извършена от FPGA;
  4. наличие на конфигурируема памет само за четене (EPROM);
  5. броя на необходимите захранващи напрежения и отделни захранвания;
  6. Диапазон на работната температура.

В допълнение, за да изгради оптимална FPGA система за захранване, разработчикът трябва правилно да проектира топологията на печатните платки и заземяването на цялата система. Като цяло, дадена енергийна система трябва да отговаря на следните изисквания, които са обсъдени в примерите за FPGA приложение [4–9]:

    ограничете преходните параметри при включване.

  • осигуряват значителен ток (1–2 A) при включване,
  • осигурете монотонността на преходния процес в захранващото напрежение,
  • времето на преходния процес до номиналната стойност на напрежението не трябва да надвишава определена стойност, посочена в спецификацията за конкретно семейство FPGA, в зависимост от вида на семейството FPGA, е необходимо да се осигури определена последователност на захранващите напрежения;
  • минимизиране на високочестотния шум, неизбежен в цифровите високоскоростни вериги.

    Това изисква:

    • отделни релси за доставка за различни основни потребители,
    • инсталиране на достатъчен брой шунтиращи кондензатори,
    • правилно оформление на печатни платки.