Проектиране на кладенец на ниво система за FPGA; Вградени инструменти за разработка; Electronicsnet
25 октомври 2011 г., 8:58 ч. | от Джеф Пери
Големият брой потребители в съвременните FPGAs прави дизайна на захранващите устройства за тези компоненти съответно сложен. Не е достатъчно просто да се осигури необходимото напрежение и сила на тока, защото всеки потребител може да има индивидуални изисквания по отношение на пулсациите на напрежението, филтрирането на смущения, разделянето на захранващото напрежение и свойствата на плавен старт. Разработчиците често трябва да правят компромиси; Специализираните инструменти помагат при претеглянето.
Голямото потребление на енергия на потребителя често изисква използването на DC/DC превключващи регулатори, при което смущенията и пулсациите на напрежението трябва да се държат под контрол. В допълнение, архитектурата на захранването може да бъде проектирана по такъв начин, че едно или повече междинни напрежения да бъдат вкарани между входното напрежение и регулаторите на точката на натоварване (PoL).
Решението за приемане на такова решение от своя страна може да има отражение върху ефективността, отпечатъка и цената на цялостния дизайн на захранването. Отделно от това, отделните захранвания могат да бъдат оптимизирани, за да се приложат проектните спецификации на по-високо ниво. Инструментът за онлайн проектиране "Webench FPGA Power Architect" от National Semiconductor може да бъде полезен при оценяване на различни подходи.
В началото на проекта трябва да се определи кои изисквания съответните FPGA поставят към захранването. Тази задача може да е всичко друго, но не и лесна, защото съответните данни могат да бъдат намерени в голям брой информационни листове и други документи. В маса 1 обобщават важните спецификации на захранването на FPGA.
| електричество | Оценка на мощността, електронни таблици, симулатор на мощност | Размери, ефективност, производство на топлина и разходи на захранващия блок | Определяне на честотата на превключване, оптимизиране на компонентите |
| напрежение | Информационен лист за FPGA, описание на пиновете | Стойности и допустими отклонения на компонентите, DC пулсации, AC преходни процеси, превишаване и недопускане | Компоненти с тесни допуски, изходни кондензатори с ниско ESR, критично амортизиран контур за управление, симулация на системата |
| Прекъсвания | FPGA лист с данни, бележки и бележки под линия | Грешки при превключване, кръстосано регулиране между потребителите | Превключване на мрежи за облекчение, филтри за смущения, отделни захранвания |
| Секвениране, стартови свойства | FPGA лист с данни, бележки и бележки под линия | Ефекти на задържане, пусков ток | Мек старт, последователност IC |
За да се определят изискванията за мощност на всеки потребител, повечето производители на FPGA предлагат така наречените "Електронни таблици за оценка на мощността", с които консумацията на енергия и токовете на натоварване могат да бъдат изчислени в зависимост от използваните ресурси в FPGA. Освен това можете да използвате по-сложните симулатори на производителите на FPGA. За да бъдете сигурни, към изчислените по този начин токове на натоварване трябва да се добави доплащане от около 25%.
Друго изискване е спецификацията на напрежението на потребителя, която първоначално може да бъде ограничена до спецификацията на минималното и максималното напрежение в листа с данни на FPGA. Въпреки това, редица други фактори са от значение за проектирането на захранването, като компенсации поради резисторната мрежа с обратна връзка в захранването, толеранси на съпротивление и толеранс на референтната обратна връзка в контролера.
Трябва да се вземе предвид и пулсацията на превключващия регулатор, при което е важно да се прави разлика между статичната или постоянната пулсация и краткосрочните недосрещания и превишения. Освен това може да присъстват смущаващи комутации с висока честота (10 MHz или повече).
Фиг. 1: Кривите показват реакцията на захранване с превключен режим, симулирано от Webench FPGA Power Architect
Изображение 1 показва скок на натоварване, симулиран от Webench FPGA Power Architect. Може да се види изместване на Vout, статично пулсации и превишаване и недостиг. В случай на чувствителни потребители, като PLL функции (фазово заключен контур), може да се наложи отделен филтър за намаляване на пулсациите. Трябва също така да се реши дали няколко потребители могат да бъдат свързани към едно захранване заедно, което би намалило разходите, или отделно захранване (например за потребители, чувствителни към смущения) е за предпочитане.
Плавният старт е подходящ за целите на последователността, за да се гарантира, че едно захранващо напрежение се активира след другото и че няма ефекти на блокиране Може да се използва и за ограничаване на пусковия ток и осигуряване на монотонно увеличение на напрежението. Инструментите за проектиране като Power Architect правят необходимата информация централно достъпна веднага след като потребителят се реши за конкретна FPGA.
Архитектури на захранването
След като се определят изискванията за захранване, трябва да се избере архитектурата на захранването. Може да бъде изгодно да се осигури едно или повече междинни напрежения между постояннотоковото напрежение от входната страна и PoL регулаторите. Една от причините за това е, че в този случай се нуждаете само от един регулатор с компоненти за високо напрежение, които обикновено са по-скъпи и заемат повече място. В допълнение, асинхронните преобразуватели с висококачествен висококачествен MOSFET обикновено работят по-ефективно при по-високи работни цикли.
Следователно използването на допълнителен междинен регулатор за понижаване на входното напрежение може да подобри общата ефективност.
Фигура 2: Тази диаграма, генерирана от Webench FPGA Power Architect, илюстрира ефективността, изискванията за пространство и разходите за компоненти на различни архитектури на захранването
снимка 2 сравнява различни конфигурации на междинно напрежение по отношение на ефективността и изискванията за пространство с непроменено входно напрежение и изходна мощност. Вариантът изцяло без междинно напрежение се справя с най-малко контролери, но изисква най-много място и постига най-ниска ефективност.
Най-голямата ефективност и най-малките размери се предлагат от дизайна с две междинни напрежения от 12 V и 5 V, които са разположени в близост до напреженията на PoL. След като се разгледа архитектурата на системата, сега е въпрос за това как могат да бъдат оптимизирани отделните конструкции на превключващия преобразувател, пожеланията да отговаря на ниските изисквания за пространство, висока ефективност и ниска цена.
Честотата на превключване е много решаващ фактор тук. Високите честоти на превключване правят възможно използването на по-малък дросел, тъй като интервалите на включване на превключвателя стават по-кратки.
Последицата е по-малък отпечатък. От друга страна, загубите от превключване се увеличават при високи честоти, което се отразява на ефективността.
Разходите обикновено са по-ниски при по-високи честоти на превключване, тъй като по-малките компоненти обикновено са по-евтини. И обратно, ниската честота на превключване намалява загубите при превключване, така че ефективността се увеличава. За да се предотврати прекомерното увеличаване на включените токове, тогава се изисква по-голям дросел, който съответно увеличава основната площ.
По-големият дросел също може да повиши цената. Оптимизирането на отделните захранвания с оглед на общата зададена цел предлага възможността за широко модулиране на цялата FPGA система за захранване. Ефективността на системата е между 84% и 94%, а изискването за пространство между 1,4 cm2 и 6,4 cm2. Цената варира от 14,08 до 31,53 долара.
За автора:
Джеф Пери е старши мениджър WEBENCH екип в National Semiconductor.