Xestión de enerxía para FPGA

Houbo moitas discusións técnicas sobre o deseño dunha boa solución de xestión de enerxía para unha aplicación FPGA, xa que non é unha tarefa trivial. Un aspecto desta tarefa consiste en atopar a solución correcta e seleccionar o produto de xestión de enerxía máis axeitado, mentres que outro é como optimizar a solución real para o seu uso con FPGA. Atopa a solución de fonte de alimentación correcta Buscar a mellor solución posible para alimentar FPGA non é sinxelo. Moitos provedores comercializan determinados produtos como axeitados para alimentar FPGA. Que fai que a selección de conversores de CC a CC sexan específicas para alimentar FPGA? Non moito. Xeralmente, todos os conversores de enerxía poden usarse para alimentar FPGA. As recomendacións para certos produtos adoitan basearse no feito de que moitas aplicacións FPGA requiren varios carriles de tensión, como para o núcleo FPGA, as E/S e posiblemente un carril adicional para a terminación da memoria DDR. A miúdo prefiren os PMIC (circuítos integrados de xestión de enerxía), onde varios conversores de CC a CC están integrados nun único chip regulador. Unha forma popular de atopar unha boa solución para alimentar un FPGA específico é utilizar deseños de referencia de xestión de enerxía preexistentes, que ofrecen moitos provedores de FPGA. Este é un bo punto de partida para un deseño optimizado. Non obstante, moitas veces son necesarias modificacións deste tipo de deseños, xa que un sistema cunha FPGA adoita requirir carrís de tensión adicionais e cargas que tamén precisan ser alimentadas. Tamén adoitan ser necesarios complementos ao deseño de referencia. Outra cousa a ter en conta é que a potencia de entrada das FPGA non está fixada. A tensión de entrada depende en gran medida dos niveis lóxicos reais e do deseño que está a implementar a FPGA. Despois de completar a modificación do deseño de referencia de xestión de enerxía, terá un aspecto diferente da suxestión orixinal do deseño de referencia. Pódese argumentar que a mellor solución é nin sequera preocuparse cun deseño de referencia de xestión de enerxía, senón introducir os carrís de tensión e as correntes necesarias directamente nunha ferramenta de selección e optimización de xestión de enerxía como LTpowerCAD de Analog Devices. Figura 1. Ferramenta LTpowerCAD para seleccionar os conversores de CC a CC axeitados para alimentar FPGA. LTpowerCAD pódese usar para crear unha solución de enerxía para raíles de tensión individuais. Tamén ofrece unha colección de deseños de referencia, proporcionando aos deseñadores un bo punto de partida. LTpowerCAD pódese descargar gratuitamente desde o sitio web de Analog Devices. Unha vez seleccionados a arquitectura de potencia e os conversores de voltaxe individuais, debemos escoller os compoñentes pasivos axeitados e deseñar a fonte de alimentación. Ao facer isto, debemos ter en conta os requisitos especiais de carga dos FPGA. Estes son: Requisitos individuais de corrente Secuenciación de carril de tensión Aumento monótono dos carrís de tensión Transitorios de potencia rápidos Precisión de tensión Requisitos de corrente individuais O consumo de corrente real de calquera FPGA depende en gran medida do caso de uso. O reloxo diferente e o contido FPGA diferente requiren diferentes cantidades de enerxía. Debido a isto, a especificación final da fonte de alimentación para un deseño FPGA típico está obrigado a cambiar durante o proceso de deseño do sistema FPGA. Os fabricantes de FPGA fornecen ferramentas de estimación de enerxía que axudan a calcular o tipo de nivel de potencia que necesitará a solución. Esta información é bastante útil para ter antes de construír o hardware real. Aínda así, o deseño da FPGA debe ser final, ou polo menos próximo ao final, para obter resultados significativos con tales estimadores de potencia. A miúdo, os enxeñeiros deseñan a fonte de alimentación tendo en conta a máxima corrente FPGA. Entón, se resulta que o deseño real da FPGA require menos enerxía, reducen a fonte de alimentación. Secuenciación de carriles de tensión Moitos FPGA requiren diferentes carrís de tensión de subministración para aparecer nunha secuencia específica. Moitas veces, a tensión do núcleo debe ser subministrada antes de que as tensións de E/S suban. En caso contrario, algúns FPGA danaranse. Para evitar isto, a fonte de alimentación debe ser secuenciada na orde correcta. Pódese facer facilmente unha secuencia ascendente sinxela usando pinos de activación en conversores de CC a CC estándar. Non obstante, normalmente tamén se require unha secuencia descendente controlada. É difícil conseguir un bo resultado cando só se activa a secuencia de pins. Unha mellor solución é utilizar un PMIC con funcións de secuenciación integradas avanzadas, como o ADP5014. O bloque de circuíto especial que permite a secuencia axustable de orde ascendente e descendente de orde inversa indícase en vermello na Figura 2. Figura 2. ADP5014 PMIC con soporte integrado para secuenciación flexible de subida y bajada. A figura 3 mostra a secuenciación realizada con este dispositivo. O atraso de tempo para a secuencia ascendente e descendente pódese axustar facilmente con pinos de retardo (DL) no ADP5014. Se se usan fontes de alimentación individuais, un chip de secuenciación adicional pode facerse cargo da secuenciación de activación e desactivación necesaria. Un exemplo é o LTC2924, que pode controlar os pinos de activación dos conversores de CC a CC para activar e desactivar as fontes de alimentación ou pode dirixir MOSFET de canle N de lado alto para conectar e desconectar un FPGA a un determinado carril de tensión. Figura 3. Secuenciación de arranque e apagado de varias tensións de alimentación FPGA. Aumento monotónico dos carrís de tensión Ademais da secuenciación da tensión, tamén pode ser necesario un aumento monótono das tensións durante o arranque. Isto significa que unha tensión só aumentará linealmente, como mostra a tensión A na Figura 4. A tensión B neste gráfico mostra un exemplo dunha tensión que non aumenta de forma monótona. Isto pode ocorrer cando a carga comeza a tirar grandes correntes a un certo nivel de tensión durante o arranque. Unha forma de evitar isto é permitir un arranque suave máis longo da fonte de alimentación e escoller conversores de enerxía que poidan proporcionar rapidamente grandes cantidades de corrente. Figura 4. A tensión A aumenta de forma monótona, mentres que a tensión B non aumenta de forma monótona. Transitorios de enerxía rápida Outra característica dos FPGA é que os FPGA comezan a deseñar correntes moi rapidamente. Provocan altas transitorias de carga na fonte de alimentación. Por este motivo, moitas FPGA requiren un desacoplamento extensivo da tensión de entrada. Os capacitores cerámicos úsanse moi de preto entre os pinos VCORE e GND do dispositivo. Os valores de ata 1 mF son bastante comúns. Esta capacitancia tan alta axuda a reducir a demanda das fontes de alimentación para entregar correntes de pico moi altas. Non obstante, moitos reguladores de conmutación e LDO teñen unha capacidade de saída máxima especificada. O requisito de capacidade de entrada da FPGA pode superar a capacidade de saída máxima permitida da fonte de alimentación. Ás fontes de alimentación non lles gustan os grandes capacitores de saída xa que, durante o inicio, este banco de condensadores parece un curtocircuíto na saída do regulador de conmutación. Hai unha solución para este problema. Un longo tempo de inicio suave pode permitir que a tensión do gran banco de capacitores suba de forma fiable sen que a fonte de alimentación entre en modo de límite de corrente de curtocircuíto. Figura 5. Requisitos de capacitores de entrada de moitos FPGA. Outra razón pola que a algúns conversores de potencia non lles gusta a capacitancia de saída excesiva é que este valor de capacitancia pasa a formar parte do bucle de regulación. Os conversores con compensación de bucle integrada non permiten unha capacitancia de saída excesiva para evitar a inestabilidade do bucle do regulador. Moitas veces hai formas de influír no bucle de control mediante a capacidade de alimentación a través da resistencia de retroalimentación do lado alto, como se mostra na Figura 6. Figura 6. Condensador de avance para permitir o axuste do bucle de control cando non hai un pin de compensación de bucle dispoñible. Para o comportamento transitorio de carga e de arranque dunha fonte de alimentación, a cadea de ferramentas de desenvolvemento que inclúe LTpowerCAD e especialmente LTspice é moi útil. Un efecto que se presta ben ao modelado e á simulación é o desacoplamento dos grandes capacitores de entrada da FPGA dos capacitores de saída da fonte de alimentación. A figura 6 mostra este concepto. Aínda que a fonte de alimentación POL (punto de carga) adoita situarse preto da carga, moitas veces hai algún rastro de PCB entre a fonte de alimentación e o capacitor de entrada FPGA. Cando hai varios capacitores de entrada FPGA xuntos no taboleiro, os que estean máis afastados da fonte de alimentación terán un efecto menor na función de transferencia das fontes de alimentación, xa que hai certa resistencia pero tamén traza parasitaria entre elas. . Estas inductancias da placa parasitaria poden permitir que a capacidade de entrada dunha FPGA sexa maior que o límite máximo de capacidade de saída da fonte de alimentación, aínda que todos os capacitores estean conectados ao mesmo nodo da placa. En LTspice, pódense engadir inductancias traza parasitarias ao esquema e modelar tales efectos. Os resultados da simulación están próximos á realidade cando se inclúen compoñentes parasitarios adecuados no modelado do circuíto. Figura 7. Desacoplamento parasitario entre os capacitores de saída da fonte de alimentación e os capacitores de entrada FPGA. Precisión da tensión A precisión da tensión dunha fonte de alimentación FPGA adoita ser bastante alta. Unha banda de tolerancia de variación de só o 3% é bastante común. Por exemplo, manter un carril central Stratix V a 0.85 V dentro dunha xanela de precisión de voltaxe do 3 % require unha banda de tolerancia completa de só 25.5 mV. Esta pequena xanela inclúe a variación de tensión despois dos transitorios de carga, así como a precisión de CC. De novo, a cadea de ferramentas de subministración de enerxía dispoñible, incluíndo LTpowerCAD e LTspice, é esencial no proceso de deseño de enerxía para requisitos tan estritos. Un último consello é sobre a selección de capacitores de entrada FPGA. Para que entreguen rapidamente grandes correntes, adoitan escollerse capacitores cerámicos. Funcionan ben para este fin, pero deben seleccionarse para que o seu verdadeiro valor de capacitancia non caia coa tensión de polarización de CC.

Deixar unha mensaxe 

Lista de mensaxes