Как правильно делать систему питания для плис

Все, что окружает ПЛИС – поставляет Maxim!

Программируемые логические устройства (PLD) произвели революцию в мире цифровой схемотехники более чем 25 лет назад, предлагая разработчику пустой чип для его программирования и реализации множества функций. PLD могут иметь низкую плотность (емкость) логических ячеек и называться «сложные программируемые логические схемы» (англ. — complex programmable logic devices, CPLD’s), или иметь большую емкость логических ячеек, реализованных на базе статической оперативной памяти с произвольным доступом (SRAM), и называться «программируемыми вентильными матрицами» — ПЛИС (англ. — field programmable gate array, FPGA). Вдобавок, помимо реализации логических функций и регистров массива логических элементов, можно использовать такие встроенные функции, как память, управление тактовыми сигналами, драйверы ввода-вывода различных стандартов, трансиверы с высокой скоростью передачи данных, MAC-уровни Ethernet, функциональные блоки сигнальной обработки, а также встраиваемые процессоры.

Применение программируемых логических устройств предполагает ввод, обработку, управление и вывод данных, однако эти функции ограничены областью цифровых сигналов, в то время как реальный мир по своей природе имеет аналоговый характер (температура, давление, звук, зрение, напряжение, ток, частота, и др.). Большая часть данных, распространяющаяся по проводам или радио, имеет аналоговую природу, которая должна быть преобразована в дискретный вид для последующей обработки в ПЛИС. Maxim Integrated, как один из мировых лидеров в области производства электронных компонентов, делает аналоговый мир доступным миру цифровому.

С позиции инфраструктуры ПЛИС, Maxim Integrated предлагает решения в таких основных областях как:

• аналого-цифровое преобразование сигналов;
• обработка мультимедийного контента (звук, изображение);
• интерфейсы ввода-вывода данных;
• формирование и распределение тактового сигнала;
• блоки аналоговой обработки сигналов;
• защита интеллектуальной собственности на уровне микропрограмм (программный код, алгоритмы сигнальной обработки) от несанкционированного доступа и копирования;
• мониторинг состояния функциональных узлов в системах с ответственным применением;
• управление питанием (рисунок 1).

Рис. 1. Периферия ПЛИС

Рассмотрим подробнее предлагаемые решения по некоторым из указанных направлений.

Преобразование аналоговых и цифровых сигналов

Мы живем в мире, в котором человек видит, слышит, ощущает запах, вкус, прикосновение. Сигналы реального мира имеют аналоговую природу, и возникает необходимость их преобразования в цифровой вид при помощи АЦП, после чего они могут быть обработаны в ПЛИС. По завершении обработки цифровой сигнал преобразуется обратно в аналоговый вид при помощи ЦАП (рисунок 2). Однако история аналогового сигнала не начинается и не заканчивается на преобразовании, в игру вступают операционные усилители, усилители с программируемым коэффициентом усиления, фильтры, смесители, задача которых заключается в предварительной обработке и постобработке аналогового сигнала. Компания Maxim Integrated предлагает разработчику широкий выбор изделий для решения задачи преобразования аналоговых и цифровых сигналов. Сюда входят различные MEMS-датчики, АЦП и ЦАП с высокой разрядностью и скоростью преобразования.

Рис. 2. Типовая цепь обработки аналогового сигнала

Принимая решение при выборе АЦП и ЦАП, системный инженер отвечает на вопросы:

• Какой должна быть схема обработки аналогового сигнала, предшествующая АЦП;
• Какова должна быть скорость оцифровки и разрядность АЦП;
• Какие параметры являются критичными.

На веб-сайте компании Maxim Integrated представлены руководства по выбору и применению АЦП и ЦАП.

Отметим некоторые интересные тенденции.

Для систем с квадратурным формированием и обработкой сигнала на видеочастоте, таких как программные радиомодемы (Software Defined Radio) с нулевой промежуточной частотой (Zero IF), где необходимо иметь два АЦП в приемнике и два ЦАП в передатчике, Maxim Integrated выпускает микросхемы так называемого Analog Front-End. В одном корпусе комбинируются высокоскоростной сдвоенный АЦП, высокоскоростной сдвоенный ЦАП для формирования и обработки квадратурных I/Q-каналов, а также несколько высокоразрядных АЦП и ЦАП последовательного приближения для контроля и регулирования параметров радиочастотного тракта, например — коэффициента усиления приемника. Такое решение позволяет сэкономить стоимость набора дискретных микросхем и место на печатной плате радиомодема.

В сфере беспроводных телекоммуникаций, а также в военной промышленности появилась тенденция к применению так называемых радиочастотных АЦП и ЦАП (RF ADC, RF DAC). Этот класс устройств позволяет выполнять преобразование сигнала на частоте семплирования в несколько ГГц. Так, например, микросхема ЦАП MAX5879 (рисунок 3) позволяет формировать аналоговый сигнал на частоте следования отсчетов до 2,3 ГГц с 14-битным разрешением. В микросхему встроена система выравнивания задержки фронта сигналов шины данных с тактовым сигналом, что очень важно при использовании предельной скорости формирования отсчетов. Указанная модель ЦАП содержит также систему проверки данных на четность, что позволяет обеспечить мониторинг сбоев шины данных ЦАП со стороны ПЛИС, и систему перемежения данных (скремблер), предотвращающую появление на выходе ЦАП сосредоточенных спектральных составляющих в ситуациях, когда входящий поток данных имеет повторяющуюся структуру.

Рис. 3. Внутренняя структура RF DAC MAX5879

Еще одна интересная тенденция — применение высокоскоростных АЦП и ЦАП с последовательным интерфейсом. Данное решение направлено на экономию портов ввода-вывода данных со стороны ПЛИС. Современные системы на ПЛИС зачастую требуют применения большого количества IO-сигналов, количество портов ввода-вывода ПЛИС ограничено и может быть недостаточным для решения конкретной задачи. Применение высокоскоростных АЦП и ЦАП с последовательной шиной данных решает эту проблему. Например, микросхема MAX19527 (рисунок 4) содержит 8 АЦП с разрешением 12 бит и максимальной частотой семплирования 50 МГц. Для каждого АЦП в микросхеме предусмотрен конвертер параллельной шины в последовательную (Serializer), данные от каждого АЦП передаются в ПЛИС по одной дифференциальной паре (LVDS). В результате системный разработчик получает выигрыш — количество физических линий ввода-вывода от восьми АЦП составляет 8*2 = 16 вместо 8*12 = 96 в случае применения АЦП с параллельным интерфейсом данных.

Рис. 4. Внутренняя структура 8-канального АЦП с последовательным интерфейсом MAX19527

Решения для защиты интеллектуальной собственности

Для современных разработчиков доступны ПЛИС, в которых используются различные технологии защиты конфигурационных данных, такие как однократно программируемые (One-Time-Programmable) ПЗУ, выполненные по технологии Antifuse, перепрограммируемые ячейки памяти на основе FLASH, конфигурируемые логические ячейки на основе статической памяти (SRAM).

Решения на основе технологий Antifuse и FLASH обеспечивают достаточно высокую защищенность конфигурационных данных, хранящихся внутри чипа ПЛИС и защищают их от считывания. Однако существуют способы, такие как распаковка, считывание данных в момент загрузки, сканирование контраста напряжений электронным лучом, воздействие ионным лучом, направленные на нарушение работы механизмов защиты и извлечение конфигурационных данных. Потенциальный взломщик может воспользоваться одним из доступных способов и клонировать оригинальную разработку.

В микросхемах ПЛИС класса High-End применяются технологии встроенной криптографической защиты и механизмы идентификации, однако, такие способы неэффективны с точки зрения цены и неприменимы в отраслях, где стоимость решения имеет важное значение, например, на рынке потребительской электроники. Тем не менее, схема защиты интеллектуальной собственности должна быть надежной, простой в применении и иметь минимальное влияние на ресурс ПЛИС (количество используемых портов, потребление) и стоимость всего решения.

Компания Maxim Integrated предлагает решение, основанное на идентификации при помощи аутентификационного кода (Message Authentication Code) (рисунок 5). Защитный чип принимает от ПЛИС случайную последовательность данных, производит вычисления и формирует MAC-сообщение, после чего отправляет его в ПЛИС, где сравниваются принятое MAC-сообщение и сформированное внутри ПЛИС по тому же алгоритму шифрования. Если оба кода совпадают, сообщение, принятое от защитного чипа, является достоверным, а идентификация — пройденной успешно.

Рис. 5. Принцип действия защитного механизма

С точки зрения взломщика будет довольно проблематично записать все возможные отклики защитного чипа с целью их дальнейшего воспроизведения в ответ на случайные последовательности, поступающие от ПЛИС.

Микросхема DS28E01-100 от компании Maxim Integrated содержит в себе ядро криптографического кодирования, 128 байт пользовательской памяти, секретный ключ для внутреннего использования и уникальный идентификатор без возможности перезаписи (рисунок 6). Однопроводной интерфейс DS28E01-100 уменьшает количество линий связи с ПЛИС до одного проводника, что особенно важно в случаях, когда количество свободных портов ввода-вывода ПЛИС ограничено.

Рис. 6. Решение на базе DS2801-100

Питание

На сегодняшний день существует два вида программируемых логических устройств:

• программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС, FPGA);
• программируемые логические матрицы (CPLD).

Каждый из них, в зависимости от сложности схемы конечного устройства, а также используемой микросхемы, требует от 3 до 15 каналов питания.

Особенности питания ПЛИС

Современные ПЛИС используют канал питания ядра, который подает питание почти на всю микросхему и имеет наибольшую потребляемую мощность. Переход на каждый новый технологический уровень (90 нм > 65 нм > 40 нм) снижает напряжение питания ядра. Внешнее питание подается на конфигурационную логику, клок-менеджеры, кроме того, ПЛИС используют для преобразования стандартных интерфейсов, поэтому каждый IO-драйвер может иметь свой собственный канал питания 1,2…3,3 В.

Особое внимание следует уделить питанию высокоскоростных SerDes-преобразователей, работающих со скоростями передачи данных 155 Мбит/с…28 Гбит/с и выше, каждый из которых может потреблять от источника питания ток от единиц до десятков А.

При разработке системы питания ПЛИС необходимо учесть такие основные моменты, как:

• величина первичного напряжения питания системы;
• требуемое количество каналов питания ПЛИС;
• мощность, потребляемая микросхемой ПЛИС от источника питания;
• КПД каждого из каналов питания;
• очередность включения каналов (секвенсирование (Sequencing));
• обеспечение электромагнитной совместимости (пульсации напряжения, взаимное влияние каналов питания).

Для большинства задач применение отдельных источников для каждого канала питания является непрактичным, поэтому компании Altera и Xilinx выпускают к своим ПЛИС руководства по возможному объединению каналов.

Архитектура системы питания

Архитектура системы питания ПЛИС определяется множеством факторов, например, такими как сфера применения ПЛИС (телекоммуникационное оборудование, вычисления, промышленная автоматизация, мобильные устройства), нагрузочная способность и КПД источника питания, диапазон изменения преобразуемого напряжения.

Большая часть телекоммуникационного оборудования строится по модульному принципу на основе конструктива типа «Евромеханика/Евростандарт» (рисунок 7). При таком построении системы все модули питаются от единого напряжения -48 В или -60 В [3] с последующим преобразованием до некоторого промежуточного значения (например, 12 В или 5 В), а затем — до необходимых величин. Модули, как правило, гальванически развязаны друг от друга в целях безопасности и во избежание возникновения токовых петель и взаимных помех.

Рис. 7. Пример схемы питания ПЛИС Altera семейства Stratix в телекоммуникационной системе

В промышленных системах и системах автоматизированного управления очень часто переменное сетевое напряжение преобразуется в системное напряжение 24 В при помощи изолированных преобразователей. Требуемое количество каналов питания ПЛИС формируется от системного при помощи понижающих преобразователей (рисунок 8).

Рис. 8. Пример системы питания ПЛИС Altera Arria в промышленных применениях

Потребительская техника и мобильная электроника питаются от аккумуляторных батарей, напряжение которых на выходе в процессе разрядки может изменяться в достаточно широком диапазоне (например — 3,6…12 В). Стабилизатор, формирующий питание ПЛИС, должен поддерживать широкий диапазон входных напряжений (рисунок 9). Требования к изоляции входа и выхода источника в данном случае не предъявляются.

Рис. 9. Пример схемы питания ПЛИС в мобильных применениях

В простейшем случае в качестве вторичного источника может быть применен многоканальный импульсный преобразователь напряжения 5/12 В, формирующий все необходимые микросхеме ПЛИС напряжения питания, с подачей их в определенной последовательности и при этом — с минимальным количеством электронных компонентов снаружи, что ведет к удешевлению стоимости изделия.

Перечень требований, которые должен выполнить системный инженер при разработке проекта, достаточно широк, и для всех описанных случаев компания Maxim Integrated может предложить соответствующие решения:

• изолированные преобразователи AC/DC и DC/DC с высоким КПД и мощностью от единиц до сотен Вт;
• неизолированные импульсные преобразователи со входным напряжением 4,5…60В;
• контроллеры первичного питания, поддерживающие ток в нагрузке до 300А;
• вторичные импульсные многоканальные преобразователи.

Как известно, в современной электронике применяются стабилизаторы напряжения двух видов — линейные и импульсные. Линейные стабилизаторы обеспечивают ток в нагрузке от десятков мА до единиц А, но имеют недостаток — низкий КПД. Сам принцип линейного преобразования имеет диссипативный характер, а именно — напряжение на входе конвертируется в более низкое напряжение на выходе без преобразования тока, а соответственно — и мощности, «лишняя» мощность рассеивается корпусом стабилизатора. Импульсные стабилизаторы работают по принципу преобразования энергии и обеспечивают КПД до 95%, имеют низкие собственные токи утечки и позволяют получить ток в нагрузке от сотен мА до сотен А.

Возникает логичный вопрос — почему же линейные стабилизаторы не могут быть полностью заменены импульсными? Дело в том, что импульсный стабилизатор является источником помех, подавить которые до необходимого уровня в некоторых случаях не представляется возможным. Микросхемы ПЛИС, несмотря на свою цифровую природу, содержат в себе аналоговые цепи и цепи со смешанной структурой, чувствительные к качеству питания. Критичными с точки зрения помех от импульсного стабилизатора являются каналы питания встроенных в ПЛИС схем ФАПЧ (VCC_PLLA), каналы распределения тактового сигнала, высокоскоростных SerDes-преобразователей. Так, например, наличие помех в канале питания схемы ФАПЧ может привести к увеличению джиттера системы тактирования, помехи по питанию высокоскоростных интерфейсов ввода-вывода — к ложным срабатываниям и появлению битовых ошибок и, как результат, к дестабилизации системы цифровой обработки, построенной на ПЛИС. В случаях, когда необходимо обеспечить питание с наименьшим уровнем помех, несмотря на низкий КПД, применяются линейные стабилизаторы. В описании и руководствах по проектированию производители микросхем ПЛИС выделяют каналы питания, критичные к наличию помех.

Помимо функции стабилизации напряжения, импульсные источники питания компании Maxim Integrated имеют такие опции, как:

• функция секвенсора- включение каналов питания в определенной последовательности;
• монотонность нарастания напряжения на выходе стабилизатора при подаче питания;
• мягкий старт;

• повышенная скорость регулирования тока динамической нагрузки. Впроцессе работы алгоритма цифровой обработки ток, потребляемый микросхемой ПЛИС от источника питания, может изменяться в значительных пределах. Задачей стабилизатора в таких условиях является своевременная реакция на изменения тока в динамической нагрузке;
• синхронизация от внешнего генератора. В случае формирования нескольких каналов питания ПЛИС дискретными импульсными источниками возможно возникновение проблем электромагнитной совместимости, причиной которых является разница частоты переключения силовых элементов каждого из используемых стабилизаторов. Применение синхронизации нескольких каналов питания от одного задающего генератора позволяет частично или полностью избежать возникновения таких ситуаций;
• полифазная синхронизация нескольких каналов питания. Данный прием является результатом развития идеи синхронизации от единого задающего генератора силовых элементов нескольких каналов питания. Когда переключение происходит в один момент времени, импульсные токи синфазно складываются и создают кондуктивные помехи, способные привести к дестабилизации системы на ПЛИС. Метод полифазной синхронизации подразумевает временное разделение моментов переключения силовых элементов, а соответственно- возникновение пиковых токов каждого из каналов питания на периоде регулирования. Например, при использовании трехканального импульсного преобразователя разность фаз между моментами срабатывания силовых ключей составляет 120;
• удаленный контроль напряжения питания на нагрузке;

• возможности программного управления.

Выбор оптимального решения

Как было сказано ранее, при разработке системы питания ПЛИС необходимо выполнить следующие шаги:

• определить, каким будет напряжение питания на входе;
• определить требуемое количество каналов питания;
• определить требования по каждому каналу питания ПЛИС;
• выбрать наиболее подходящее решение по каждому из каналов питания.

С первыми двумя шагами мы уже разобрались, остается сделать прогноз по току, потребляемому микросхемой ПЛИС от источников питания. Для того, чтобы упростить выбор, компании Altera и Xilinx предоставляют инженерам утилиты для расчета потребляемой мощности в зависимости от конкретной модели ПЛИС, сложности проекта и реализованного алгоритма цифровой обработки.

Компания Altera предоставляет два инструмента для расчета потребляемой мощности — утилиту "PowerPlay Early Power Estimator", доступную на веб-сайте компании (http://www.altera.com/), а также встроенный в среду разработки Quartus II модуль. Первая утилита представляет собой Excel-таблицу, в которую необходимо в качестве исходных данных ввести основные параметры ядра цифровой обработки. Вторая утилита несколько более удобна, поскольку позволяет выполнять оценку токопотребления по мере готовности ядра цифровой обработки. Аналогичная утилита от Xilinx носит наименование "XPower Estimator (XPE)".

После того, как требования сформированы, необходимо выбрать конкретную модель источника питания для каждого канала питания ПЛИС, руководствуясь такими критериями, как размер, стоимость, эффективность, простота применения. Компания Maxim Integrated, со своей стороны, предоставляет разработчикам интерактивное руководство по выбору источников питания для ПЛИС [7].

В завершении цикла разработки схемы питания микросхемы ПЛИС, когда выбраны модели микросхем питания, разработчик может воспользоваться утилитой "Maxim Integrated EE-Sim" [8] (рисунок 10), реализованной в виде веб-приложения, которая позволяет для конкретной модели источника питания задать исходные данные, выбрать стратегию оптимизации (размер, эффективность) и рассчитать основные характеристики полученной электрической схемы.

Рис. 10. Внешний вид утилиты EE-Sim

Рассмотрим в качестве примеров способ организации системы питания ПЛИС семейств Altera Stratix V и Xilinx Virtex-7 (рисунки 11, 12) от источника напряжения 12 В.

Схема питания Altera Stratix V (рисунок 11) содержит десять каналов питания, три из которых критичны к помехам от импульсных преобразователей, формируются при помощи линейных стабилизаторов — VCCA_PLL, VCCD_PLL (питание внутренних систем ФАПЧ и распределение тактового сигнала), и VCCA_GXB (аналоговое питание гигабитных приемопередатчиков). Каналы питания VCCR_GXB, VCCT_GXB, VCCH_GXB реализованы на базе импульсных преобразователей с низким уровнем пульсаций на выходе (среднеквардатическое значение 10 мВ).

Рис. 11. Пример реализации системы питания ПЛИС Altera Stratix V [1, стр.12]

Система питания ПЛИС Xilinx Virtex-7 (рисунок 12) в некоторой степени схожа с предыдущим примером, но содержит восемь каналов, два из которых реализованы при помощи импульсных стабилизаторов с низким уровнем пульсаций. Остальные каналы формируются импульсными преобразователями без особых требований по уровню пульсаций на выходе.

Рис. 12. Пример реализации системы питания ПЛИС Xilinx Virtex-7 [2, стр.15]

Подробные руководства по выбору и применению, средства разработки источников питания микросхем ПЛИС доступны на веб-сайтах компаний Altera, Maxim Integrated, Xilinx.

Заключение

На протяжении двух десятилетий компания Maxim Integrated является лидером в области производства микросхем аналоговой обработки сигнала и микросхем со смешанной структурой. Портфолио компании позволяет организовать инфраструктуру ПЛИС практически для всех случаев жизни. Это источники питания, датчики, обработка аналогового сигнала, преобразование сигналов из аналоговой области в цифровую и обратно, защита алгоритмов цифровой обработки от несанкционированного доступа, формирование и распределение тактового сигнала, и др. Стратегическое сотрудничество Maxim Integrated с такими компаниями, как Altera и Xilinx, позволяет потребителю получить комплексное решение в области аппаратно-программных комплексов на базе ПЛИС. Сеть дистрибьюции и служба технической поддержки компании Maxim Integrated позволяют сократить срок разработки конечного решения и обеспечить гарантированные поставки на этапах жизненного цикла изделия.

Литература

1. PG5386. Analog Solutions for Altera FPGAs.pdf

3. ETSI ETS 300 132-2. Equipment Engineering (EE); Power supply interface at the input to telecommunications equipment; Part 2: Operated by direct current (dc)

Русские Блоги

Проектирование превосходного решения питания для приложения FPGA не является простой задачей, существует множество связанных технологических дискуссий. Сегодня Xiaobian должен поделиться контентом «Управление властью FPGA» для всех, чтобы поделиться основными целями —

☞ Найдите правильное решение и выберите наиболее подходящий продукт управления питанием

☞ Как оптимизировать фактическое решение для использования его для FPGA

Найти правильное питание

Лучшее решение для поиска FPGA не просто. Многие поставщики продают определенные продукты в имени, подходящем для электроснабжения для FPGA. Каковы конкретные требования к источнику питания преобразователя DC-DC для FPGA? На самом деле, не так много. В целом, все преобразователи питания могут быть использованы для питания FPGA. Рекомендуется, чтобы некоторые продукты обычно основывались на том факте, что многие приложения FPGA требуют нескольких направляющих рельсов, например, для ядра FPGA и I / O, которые также могут потребовать дополнительных направляющих напряжений для памяти DDR.PMIC (интегральная схема управления питанием), интегрированная в один преобразователь постоянного тока постоянного тока, в чипе один регулятор часто предпочтительнее.

Популярный способ найти нерешенные решения для электроснабжения для конкретных ФПГА — использовать многие из существующих эталонных конструкций управления питанием, предоставленным многими поставщиками FPGA. Это очень хороший способ оптимизировать дизайн. Но этот тип дизайна часто должен быть изменен, потому что

• Система FPGA обычно требует дополнительных дорожек и нагрузок напряжения, которые также требуют мощности;
• Добавить некоторые вещи в эталонном дизайне часто необходимы;
• Входная мощность FPGA не зафиксирована, а входное напряжение в значительной степени зависит от фактического уровня логического уровня и конструкции, реализованной FPGA.

После выполнения модификации эталонного дизайна управления питанием он выглядит отличается от оригинального эталонного дизайна. Некоторые люди могут утверждать, что лучшее решение просто не имеет эталонной конструкции управления питанием, но непосредственно введите требуемые дорожки напряжения и ток в инструмент выбора и оптимизации управления питанием, такие как LTPOWERCAD и т. Д.

Рисунок 1. Выберите соответствующий преобразователь DC-DC для питания FPGA через инструмент LTPOWERCAD.

LTPOWERCAD может использоваться для обеспечения питания для каждого направления напряжения. Он также обеспечивает диапазон эталонных конструкций, чтобы сделать дизайнеры быстро начать. LTPOWERCAD может скачать с веб-сайта ADI. ☞ Скачать ссылку: http://www.analog.com/cn/design-center/lpowercad.html

Как оптимизировать фактическое решение для FPGA

Как только архитектура питания и каждый преобразователь напряжения необходимо выбрать подходящий пассивный компонент для разработки мощности. Вы должны иметь в виду, когда это делаютСпециальные требования к нагрузке для FPGA —

• Различный текущий спрос
• Управление напряжением контроля
• Рельс напряжения монокуляр розы
• Быстрая мощность переходный
• Точность напряжения
• Входной конденсатор FPGA

Различный текущий спрос

Фактическое потребление тока FPGA зависит от большой степени. Разные часы и разные контент FPGA требуют разной мощности. следовательно,Во время проектирования системы FPGA заключительный спецификации электропитания типичной конструкции FPGA неизбежно изменится.Оценщик мощности, предоставляемый производителем FPGA, помогает рассчитать уровень мощности, необходимый для решения. Он будет полезен до создания фактического оборудования. Однако для того, чтобы получить значимые результаты, используя такие инструменты оценки мощности, конструкция FPGA должна в конечном итоге определять или, по крайней мере, близко.

При нормальных обстоятельствах инженер рассматривает максимальный ток FPGA при разработке мощности. Если реальная конструкция FPGA должна быть окончательно обнаружена, дизайнер уменьшит источник питания.

Контроль времени напряжения

Многие FPGA требуют, чтобы разные направляющие напряжения питания питаются в определенном порядке. Поставка напряжения ядра часто требует питания от напряжений ввода / вывода, в противном случае некоторые FPGA будут повреждены. Чтобы избежать этого, источник питания должен быть включен в правильном порядке. Используйте PIN-код включения в стандартном конвертере DC-DC, чтобы легко добиться простого управления синхронизацией питания. Тем не менее, отключение устройства обычно также требует контроля времени. Трудно добиться хороших результатов. Лучшим решением является использование PMIC с расширенным встроенным функциям управления синхронизацией, такими как ADP5014. Специальные модули схемы, представленные красным на рисунке 2, поддерживают регулировку синхронизации питания и отключения.

Рисунок 2. ADP5014 PMIC объединяет поддержку гибкого контроля над мощностью / отключениями / отключениями.

На рисунке 3 показаны контроль времени, достигаемый с помощью этого устройства. Время задержки синхронизации питания и отключения может быть легко отрегулирована за счет задержки (DL) на ADP5014.

Рисунок 3. Запуск и завершение запуска нескольких напряжений питания FPGA.

Если используются несколько отдельных источников питания, добавьте микросхему управления синхронизацией для достижения желаемого порядка включения / выключения питания.Пример является LTC2924, который может контролировать как мощность преобразователя постоянного тока постоянного тока, чтобы открыть и отключить питание, а также может привести к высококачем N-канал MOSFET для подключения FPGA к определенному рельсу напряжения.

Монокуляция рельса напряжения поднимается

В дополнение к времени напряжения процесс запуска также может потребовать монотонного роста. Это означает, что напряжение поднимается только, как показано на напряжении A на фиг. Напряжение B на этом рисунке является примером напряжения немонотонного роста.Это происходит, когда напряжение поднимается до постоянного уровня времени, и это произойдет. Один из способов предотвращения того, чтобы это расширить время мягкого запуска источника питания и выберите преобразователь питания, который может быстро обеспечить большое количество тока.

Рисунок 4. Напряжение Монотонные поднимаются, напряжение B — немонотонный рост.

Быстрый источник питания

Еще одна особенность FPGA заключается в том, что она начнет с большого количества тока очень быстро. Это приведет к высокой нагрузке переходные процессы на источника питания. По этой причине,Многие FPGAS требуют много развязки входного напряжения.Керамические конденсаторы очень близки к виноградам VCORE и GND устройства, очень близко к месту. До 1 МФ очень распространено. Такая высокая емкость помогает уменьшить необходимость электропитания для обеспечения очень высокого пикового тока. Тем не менее, многие регуляторы переключения и LDOS указывают максимальную производитель емкости. Входная емкость FPGA может превышать максимальную выходную емкость электропитания для разрешения.

Власть не любит очень большие выходные конденсаторы, есть два очка —

• Во время запуска выходной емкостью регулятора переключения, по-видимому, является краткосмысленным. Есть решение этого вопроса. Более длительное время мягкого запуска позволяет устанавливать напряжение на большой емкостной группе, и источник питания не входит в режим ограничения тока короткого замыкания. Рисунок 5. Многие входные требования к емкости для FPGAS.

• Это значение емкости станет частью регулирующей петли. Преобразователи интегрированного компенсации петли не позволяют выходной емкости для предотвращения нестабилизации контура регулятора. Использование корпоративных конденсаторов на высококачественных резисторах обратной связи часто может влиять на петлю управления, как показано на рисунке 6. Рисунок 6. Когда нет доступен PIN-коэффициент компенсации цикла, контур управления может регулироваться конденсатором FeedForward.

Цепочка инструмента разработки (включая LTPOWERCAD, особенно LTD) очень полезна для преходящего нагрузки и запуска источника питания. Этот инструмент может сможет моделировать и моделировать эффективно реализовывать развязку большого входного емкости FPGA и производительность электронного питания. На рисунке 6 показана эта концепция.

Хотя положение полов (конец нагрузки) часто приближается к нагрузке, часто между источником питания и входной емкости PPGA часто бывают некоторые трассы PCB и входной емкостью FPGA. Когда есть несколько входных конденсаторов FPGA, прилегающие друг к другу на доске, эти конденсаторы от источника питания оказывают небольшое влияние на функцию передачи мощности, поскольку существует не только некоторых резисторов, но и паразитный индуктор трассировки. Эти паразитарные индукторы позволяют входные конденсаторы FPGA больше, чем максимальное значение емкости выходной мощности, даже если все конденсаторы подключены к одному и тому же узлу на доске. В LTSPICE индуктор паразитарного трасса может быть добавлен к схеме и может имитировать эти эффекты. Когда модель моделирования содержит достаточно паразитарных элементов, результаты моделирования близки к фактическим результатам.

Рисунок 7. Вывод мощности емкости и паразитарные развязки между входной емкостью FPGA.

Точность напряжения

Точность напряжения питания FPGA часто очень высока. 3% изменение допусковой ленты довольно распространены. Например, для того, чтобы сохранить рельс напряжения ядра 0,85 В в окне точностью 3% напряжения, полная допускная полоса должна быть только 25,5 мВ. Это небольшое окно включает вариации напряжения после нагрузки переходных процессов и точностью постоянного тока. Аналогичным образом, для таких строгого требований, в том числе LTPOWERCAD и LTSPICE, доступная цепочка электроинструмента, в процессе проектирования питания очень важно.

Входной конденсатор FPGA

Для быстрого обеспечения большого тока входная емкость FPGA обычно выбирает керамический конденсатор. Такие конденсаторы подходят для этой цели, но необходимо быть осторожным, так что его реальное емкости не падает как смещение постоянного тока. Некоторые керамические конденсаторы, особенно типа Y5U, когда напряжение смещения постоянного тока близко к максимальному номинальному напряжению постоянного тока, его реальное значение емкости уменьшает только 20% от номинальной стоимости.

Сложность системы FPGA становится выше и выше, поэтому FPGA должен принять соответствующиеУправление энергопотреблениемТехнология для проектирования энергии для системы FPGA.

FPGA обычно требуют нескольких напряжений. В зависимости от приложения первичный входной источник питания может использовать блок-источник блокировки, изолирующей мощности, неизоляционную мощность или даже питание от батареи. Эти первичные входы обычно генерируют промежуточное напряжение постоянного тока для питания в основном напряжении FPGA. Эти промежуточные напряжения обычно являются напряжением 5 В или 12 В постоянного тока. Некоторые типичные дорожки напряжения FPGA перечислены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 вирteX 7FPGA Требования к власти

Таблица 2 Требования к питанию для системы серии Zynq 7000 (SOC)

Оценка мощности Xilinx

Для каждого напряжения есть более сложная работа для каждого напряжения, чтобы определить, что соответствующий ток состоит в том, что диапазон тока может варьироваться от сотен миллиметров до 60А или даже выше. Если заранее планируется, ситуация будет совершенно другой, а предшествующее планирование может избежать чрезмерного дизайна и разработки источника питания, что приведет к ошибке, которая должна быть продолжена. Производитель FPGA предоставляет точный инструмент энергопотребления FPGA, который может оценить энергопотребление в худшем случае, основываясь на использовании пользователя FPGA.

Оценка мощности XILINX (XPE), показанный на рисунке 1, охватывает несколько серий XILINX FPGA. С помощью этого инструмента клиенты могут выбрать используемые компоненты и вводЧасыИ информация о конфигурации для определения требований питания и выберите соответствующее устройство на основе расчетного значения.

Рисунок 1 Оценщик мощности Xilinx (XPE)

Меры предосторожности 1

Многие факторы должны быть приняты во внимание при выборе власти, необходимой для выполнения приложения FPGA. Стоимость, размер и эффективность, всегда являются факторами, которые требуют внимания во время дизайна питания. Однако в приложениях FPGA некоторая мощность будет иметь разные требования. Питание ядра обычно требует более жесткой точности в пределах линии, нагрузки и диапазона температур. Некоторые источники питания, такие кактрансиверДля шума более чувствителен, необходимо сохранить свой выход ниже определенного порога шума. Следует также отметить, что некоторые источники питания, имеющие общее напряжение режима, могут быть объединены и изолированы с ферритовым магнитным бусином для достижения фильтрации или в виде нагрузки.

Меры предосторожности 2.

При выполнении проектирования в соответствии с соблюдением необходимо учитывать все статические и динамические условия эксплуатации. Во-первых, выберите регулятор напряжения со ссыльной точностью менее 1%, в результате чего оставляет максимальное пространство для полей дизайна для обращения с динамическими условиями эксплуатации, такими как переходные процессы нагрузки.

Меры предосторожности 3.

Будьте осторожны при проектировании высокоскоростной приемопередатчики, поскольку вывод шума из этих источников питания чувствительности уменьшит производительность и увеличивает джиттер. Регулятор низкого давления (LDO) Идеально подходит для этих электропередач. Однако, когда требуется более высокий ток, до тех пор, пока типичное значение выходной пульсации поддерживается ниже 10MVPK-PK ниже 10 кГц до 80 МГц, вы можете использовать его.Импульсный источник питанияОтказ Выделенная таблица данных FPGA будет включать подробные технические характеристики, связанные с требованиями трансивера.

Меры предосторожности 4

Сортировка мощности является еще одним важным аспектом дизайна питания FPGA. Поскольку в системе FPGA требуется несколько источников питания, как показано в рекомендуемой последовательности источника питания, рисует минимальный ток при запуске, что, в свою очередь, предотвращает повреждение устройства. Последовательность электропитания доставки для логических цепей и электропитания приемопередатчиков на FPGA Virtex 7 Series показана на рисунке 2. Сортировка процессора для SOC SOC Zynq 7000 отображается на рисунке 3.

Рисунок 2 Рекомендуемая последовательность включений для Virtex 7 FPGA

Среди них VCCINT и VMGTAVCC могут одновременно включаться, пока они начинаются до того, как VMGTAVTT их последовательность включения может быть взаимозаменяемой.

Рисунок 3 Рекомендация для последовательностей питания для SISTE STORMENT SOUS ZYNQ 7000

Для устройств серии XILINX 7 / Zyrq 7000 эти мощности должны иметь линейное повышение и должны быть включены в течение периода 0,2 мс до 50 мс, а для серии XILINX ULTRACCALE FPGA этот цикл составляет от 0,2 мс до 40 мс от 40 мс. Рекомендуется, чтобы последовательность сбоя питания обращается в порядке власти.

Как только соответствующий ток был оценен, все соображения дизайна известны, Power Designer может запустить выбор устройства. Есть несколько вариантов на выбор, такие как регулятор низкого давления (LDO), режим переключения питания (SMPS) И интегрированные модули, все они имеют разные преимущества и недостатки. Например, LDO идеально подходит для некоторых низкокачественных источников питания FPGA из-за его простоты и низкого выходного шума. Недостатком LDO заключается в том, что их эффективность не высока, и будет включена, когда более высокие токи.ТранзисторБольшое количество тепла диссипации. Они обычно применимы к тем, у кого низкая мощность, и те, кому требуется низкий уровень шума.

Когда требуемое текущее значение превышает 2 ампер, дизайнер может выбрать электропитание коммутации (SMPS), если текущее значение превышает 2 ампер. Эти устройства могут достигать более 90% в однофазной конфигурации и обеспечивают до 30А тока. По сравнению с LDO их дизайн сложен и менее эффективен, когда более легкая нагрузка, но они более гибкие, а более высокая эффективность при более высоких токах.

Модуль питанияНапример, источник питания LMZ31506 (простой выключатель) может поставить одинDC/DCПреобразователь, электроэнергетическая металлическая оксид полевого эффекта транзистора (MOSFET), ЩитИндукторИ пассивные компоненты интегрированы в тонкий четырехместный беспроводной (QFN) пакет. Поскольку все компоненты интегрированы в один пакет, требуется только наименьшие внешние компоненты, это может уменьшить время конструкции.

Уинчж FPGA архитектурный дизайн инструменты

Инструменты дизайна архитектуры Webench FPGA (рис. 4) — это очень полезный инструмент, который помогает конструкторам питания построить несколько выходных мощностей FPGA за считанные минуты. Этот инструмент содержит подробные требования к мощности для вновь перечисленных FPGAS. В этом инструменте вам нужно только выбрать использование FPGA и регулировать ток на требуемый уровень, и этот инструмент автоматически сформирует всеобъемлющий отчет о разработке.

Обеспечение электрического питания ПЛИС с помощью мощных линейных LDO-стабилизаторов

Такие мощные низковольтные цифровые микросхемы как программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), включая программируемые пользователем вентильные матрицы (ППВМ), цифровые сигнальные процессоры (DSP), микропроцессоры и другие специализированные микросхемы входят в состав практически любых встраиваемых электронных систем. Встраиваемые электронные системы различного назначения очень часто встречаются в изделиях промышленной электроники, аппаратуры связи, серверах, медицинской аппаратуре, игровых приставках и консолях, бытовой аудио/видеотехнике и во многих других изделиях. Применение ПЛИС позволяет реализовать в этих системах самые передовые технические идеи. Согласно маркетинговым исследованиям фирм In-Stat и Gartner, в 2010 г. объем продаж ПЛИС достигнет 2,5 млрд долл. Примечательно, что одним из применений ПЛИС в автомобилестроении является возможность создания аппаратуры, позволяющей избежать последствия т.н. человеческого фактора. Это системы активной безопасности, исключающие возможность столкновения. Кроме того, такие системы безопасности, как например антиблокировочная система (АБС), управление устойчивостью и электронно-управляемая независимая подвеска, также используют ПЛИС.

Сочетание больших токов потребления, малых напряжений питания и повышенные требования к скорости нарастания импульсной характеристики для нового поколения ПЛИС и специальных процессоров предъявляет строгие требования к источникам электропитания ядра, устройств ввода-вывода и каналов приёмопередатчика. Эти цифровые микросхемы, с точки зрения электропитания, являются и мощными, и динамичными. Как правило, для их питания используются относительно более эффективные импульсные преобразователи. Однако применение этих преобразователей связано с такими недостатками как влияние шумов, не очень хорошая импульсная характеристика и чувствительность к качеству разводки печатной платы. В результате, зачастую предпочтение отдаётся линейным стабилизаторам с малым падением напряжения (LDO), хотя такие стабилизаторы и имеют свои ограничения в применении. Однако благодаря новым техническим идеям в этой области параметры новых LDO-стабилизаторов перестали быть компромиссными.

Задачи проектирования

Точно следуя закону Мура, размеры выпускаемых кремниевых подложек постоянно уменьшаются, что позволяет снижать напряжение питания произведенных микросхем. Работа с большими токами потребления и меньшими напряжениями накладывает определенные ограничения на трассировку и отвод тепла. Следовательно, необходимо применять особые корпуса, обеспечивающие надёжный отвод тепла от кристалла микросхемы. В случае с LDO-стабилизаторами их способность работать с малым прямым падением напряжения позволяет уменьшить разницу между входным и выходным напряжениями, сохранив возможность поддерживать/стабилизировать выходное напряжение и стабильность выходных параметров. Следовательно, появляется возможность снизить рассеиваемую микросхемой мощность и частично решить проблему отвода тепла.

Требование к коэффициенту подавления пульсаций по напряжению (PSRR), а также допустимый уровень шума выходного напряжения являются основными требованиями. Напряжение, получаемое от прибора с хорошим коэффициентом стабилизации, легко фильтруется, что снижает уровень шумов на входе. Это, в свою очередь, приводит к «чистому» и стабильному напряжению на выходе. Кроме того, стабилизатор с малыми шумами выходного напряжения в широкой полосе частот является более предпочтительным для применения в качестве источника питания, где уровень шумов чётко оговаривается условиями технического задания. Поскольку требования к быстродействию современных ПЛИС возрастают, чувствительность к шумам выходного напряжения также растёт. Их необходимо снижать, чтобы уменьшить ошибку разрядности. Подобные ошибки, обусловленные шумами, значительно снижают скорость обработки данных быстродействующих ПЛИС.

Более высокие скорости приёмопередатчиков, всё чаще интегрируемых в ПЛИС, обуславливают более высокие токи, потребляемые для сохранения хорошей формы импульсов данных. Поскольку эти микросхемы являются быстродействующими, ток потребления может возрастать почти от нуля до нескольких ампер в течение сотен наносекунд. Данное обстоятельство требует применения преобразователей с очень хорошей импульсной характеристикой.

Новый тип стабилизаторов для питания цифровых микросхем

Линейный стабилизатор с правильными характеристиками является идеальным решением для питания новейших ПЛИС. Однако LDO-стабилизаторы должны удовлетворять следующим требованиям:

– быстродействие (малое время нарастания импульсной характеристики);

– работа в широком диапазоне входных и выходных напряжений;

– большой ток нагрузки;

– низкий уровень шума;

– очень малое прямое падение напряжения;

– хорошие тепловые свойства;

– большой коэффициент стабилизации на высоких частотах;

– автоматическое выявление неисправностей/ошибок может быть дополнительным преимуществом.

Недавно компания Linear Technology представила микросхему LT3070 — стабилизатор серии LDO, обладающий всеми указанными свойствами.

Сверхбыстродействующий малошумящий LDO-стабилизатор

Микросхема LT3070 представляет собой сверхбыстродействующий линейный стабилизатор с цифровой установкой выходного напряжения. Из всех доступных на сегодняшний день стабилизаторов LDO с высокой степенью интеграции и током нагрузки не менее 5 А это устройство имеет минимальный уровень шумов выходного напряжения и наибольшую скорость нарастания импульсной характеристики. Стабилизатор выполнен на основе МОП-транзистора, что обеспечивает минимальное прямое падение напряжения — всего 85 мВ при максимальном токе нагрузки. Кроме того, ток общего вывода стабилен и не зависит от изменения входного и выходного напряжений. Шумы выходного напряжения не превышают 25 мкВ среднеквадратического значения в диапазоне частот 10 Гц…100 кГц при токе нагрузки 5 А. Коэффициент стабилизации равен 30 дБ на частоте 1 МГц. Имея полосу пропускания входного сигнала до 1 МГц, LT3070 при использовании выходных керамических конденсаторов ёмкостью чуть более 15 мкФ обеспечивает перерегулирование не более 30 мкВ при броске тока нагрузки 4,5 А. Столь небольшая величина ёмкости выходных конденсаторов позволяет уменьшить габариты разрабатываемого источника питания и стоимость изделия. Как видно из представленной на рисунке 1 схемы, LT3070 является хорошим решением для питания мощных низковольтных устройств.

Выходное напряжение микросхемы LT3070 устанавливается цифровыми сигналами в диапазоне 0,8…1, 8 В с шагом 50 мВ. Погрешность установки выходного напряжения составляет не более ± 1% во всём диапазоне изменения входного напряжения, тока нагрузки и температуры. С помощью системы цифровой подстройки границ выходного напряжения можно осуществить точную подстройку в пределах ±1%, ±3% или ±5%, что удобно при отладке системы. Сигнал PowerGood отображает состояние микросхемы LT3070: осуществляется ли регулирование выходного напряжения, не сработала ли защита от пониженного входного напряжения. Этим сигналом выдается также предварительное предупреждение о перегреве микросхемы. Диапазон входных напряжений микросхемы LT3070 составляет 0,95…3,0 В, а диапазон вспомогательных напряжений равен 2,2…3,6 В. Вспомогательное напряжение предназначено для управления затвором встроенного регулирующего МОП-транзистора с N-каналом.

Кроме того, несколько микросхем LT3070 можно соединить параллельно и тем самым обеспечить больший ток в нагрузку или равномернее распределить тепло на печатной плате. С помощью алгоритма слежения можно управлять импульсным преобразователем, который обеспечивает напряжение питания для LDO. Такое решение позволяет при любом входном напряжении подавать на вход LDO-стабилизатора ровно на 300 мВ больше, чем составляет выходное напряжение. Таким образом, уменьшается рассеиваемая в тепло мощность, но при этом сохраняется коэффициент стабилизации. Если же входное напряжение меняется во времени, с помощью алгоритма слежения выходное напряжение импульсного преобразователя будет автоматически поддерживаться на 300 мВ больше выходного напряжения LDO. Это означает, что при любых входных напряжениях КПД будет максимально возможным. Встроенные цепи защиты обеспечивают защиту от пониженного входного напряжения, обратного тока, прецизионное ограничение тока, а также отключение с гистерезисом при перегреве. Микросхема LT3070 изготавливается в низкопрофильных (0,75 мм) 28-выводных корпусах QFN с габаритами 4×5 мм, улучшенным отводом тепла и работает в диапазоне температур кристалла –40…125°С.

Сверхбыстрая реакция на воздействие

Широкая полоса пропускания входного сигнала микросхемы LT3070 обеспечивает высокую скорость нарастания импульсной характеристики. При этом на выходе применяются недорогие и малогабаритные керамические конденсаторы с малым эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). Помимо того, что такие конденсаторы удешевляют стоимость готового изделия на базе LT3070, они занимают мало места на печатной плате, позволяя создавать малогабаритные источники питания. Применение конденсаторов с объёмным диэлектриком (т.е. алюминиевых электролитических и танталовых устройств) не рекомендуется, т.к. они обладают существенно большей эквивалентной последовательной индуктивностью, а это уменьшает динамические характеристики стабилизатора.

Схемотехнически N-канальный МОП-транзистор (регулирующий элемент) включён как истоковый повторитель. Такая схема включения обеспечивает предельно малое падение напряжения на регулирующем элементе, высокую скорость нарастания импульсной характеристики и большой коэффициент стабилизации в широкой полосе частот. Микросхема LT3070 имеет широкую полосу частот регулирования, а также прекрасную импульсную характеристику (см. рис. 2) за счет отказа от дорогостоящих танталовых или алюминиевых электролитических конденсаторов. Указанные выше свойства позволяют применять микросхему LT3070 для питания большинства современных микропроцессоров.

Топология LDO-стабилизаторов с N-канальным истоковым повторителем является принципиально более быстродействующей, чем с P-канальными МОП-транзисторами. Низкое сопротивление канала типа N снижает выходное сопротивление LT3070. Высокое сопротивление стока P-канального МОП-транзистора требует применения дорогостоящих электролитических конденсаторов на выходе микросхемы. Кроме дороговизны, у таких конденсаторов имеется ещё один существенный недостаток: они ограничивают быстродействие схемы и, следовательно, скорость нарастания импульсной характеристики. Низкоимпедансный выход микросхемы LT3070 позволяет отвести 1 МГц на полосу пропускания электрической схемы стабилизатора, чтобы установить высокую скорость нарастания импульсной характеристики.

Увеличение КПД за счет управления с входа на выход

У микросхемы LT3070 имеется уникальная функция слежения, предназначенная для управления установленным перед ней по схеме импульсным преобразователем. Вывод VIOC (Input-to-Output Voltage Control) является выходом встроенного усилителя сигнала, пропорционального проводимости канала регулирующего элемента, выход которого, в свою очередь, является источником или потребителем тока величиной 250 мкА. Этот сигнал может управлять работой большинства импульсных преобразователей серий LTC или LTM через вывод ITH.

Функция VIOC предназначена для управления работой импульсного преобразователя, обеспечивающего входное напряжение микросхеме LT3070 на 300 мВ больше выходного. Эта величина прямого падения напряжения выбрана исходя из условий обеспечения высокой скорости нарастания импульсной характеристики и приемлемого коэффициента стабилизации в широкой полосе частот. Кроме того, при такой величине прямого падения напряжения существенно снижается рассеиваемая мощность и, соответственно, увеличивается КПД. Например, рассеиваемая мощность при непрерывном выходном токе 5 А и преобразовании с помощью LDO напряжения из 1,5 в 1,2 В или из 1,3 в 1,0 В составляет всего 1,5 Вт.

На рисунке 3 показаны цепи резисторов обратной связи, с помощью которых устанавливается максимальное выходное напряжение импульсного преобразователя, если LDO отключен. Однако как только LT3070 включится, цепь обратной связи VIOC понизит выходное напряжение преобразователя до величины Uвых + 300 мВ.

Функция VIOC представляет собой петлю обратной связи между LT3070 и импульсным преобразователем. Петля обратной связи должна быть частотнокомпенсированной, чтобы обеспечить стабильность работы. К счастью, подключение VIOC к импульсным преобразователям Linear Technology через вывод ITH происходит по высокоимпедансному каналу, что является идеальным случаем для осуществления частотной компенсации обратной связи, т.к. изменения величины уже установленных компенсирующих компонентов минимальны.

Суммируя все преимущества LT3070, можно обобщить её характеристики и особенности:

– ток нагрузки 5А;

– прямое падение напряжения 85 мВ (типовая величина);

– цифровая установка выходного напряжения в диапазоне 0,8…1,8 В;

– цифровая точная установка выходного напряжения: ±1%, ±3%, ±5%;

– низкие шумы выходного напряжения: 25 мкВ среднеквадратического значения в диапазоне частот 10 Гц…100 кГц;

– возможность параллельной работы и обеспечение тока в нагрузке до 10 А;

– прецизионное ограничение тока: ±15%;

– погрешность установки выходного напряжения ±1% во всех диапазонах изменения входного напряжения, тока нагрузки и температуры;

– стабильность работы при использовании керамических конденсаторов на выходе (минимальная ёмкость — 15 мкФ);

– высокий коэффициент стабилизации при высокой частоте: 30 дБ при 1 МГц;

– функция подключения/отключения нагрузки;

– выводы цепей управления VIOC для совместной работы с импульсным преобразователем, что уменьшает рассеиваемую мощность и повышает КПД;

– ограничение обратного тока;

– тепловое отключение с предварительным предупреждающим сигналом;

– низкопрофильный (0,75 мм) 28-выводный QFN корпус с габаритами 4×5 мм.

Заключение

Тенденцией развития высокопроизводительных цифровых микросхем является постоянно увеличивающийся ток потребления при одновременном снижении напряжения питания, что стало возможным благодаря постоянно улучшающейся технологии производства. Однако из-за этой тенденции происходит повышение требований к таким параметрам как скорость нарастания импульсной характеристики, шумы источника питания и КПД. Традиционно питание таких цифровых микросхем осуществлялось с помощью импульсных преобразователей, работающих на основе индуктивности. Однако для решения проблем, возникающих при работе подобных преобразователей, компания Linear Technology предлагает новое поколение низковольтных линейных стабилизаторов, не требующих индуктивности. Новый стабилизатор LT3070 — это линейный стабилизатор со сверхвысокой скоростью нарастания импульсной характеристики, возможностью цифровой установки выходного напряжения, минимальным прямым падением напряжения, минимальными шумами и самой высокой из всех доступных на сегодняшний день 5-А LDO скоростью нарастания импульсной характеристики. Кроме того, этот стабилизатор идеален для работы совместно с импульсным преобразователем.

Обеспечение требуемой стабильности и мощности питания для ПЛИС модулями Flex Power Modules

Любой разработчик электронных схем скажет, что такие факторы, как производительность и функциональность, имеют решающее значение в успешных разработках современных электронных проектов. Из опыта разработчиков Flex Power Modules известно, что применение таких устройств, как микроконтроллеры, во многих случаях является достаточным, но также существует множество приложений, которые требуют другого подхода — аппаратной производительности. По этой причине программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) стали очень популярны, но есть и проблема – сложность в обеспечении их питанием требуемых параметров. К счастью, решение может быть достигнуто за счет использования современных моделей DC/DC преобразователей Flex Power Modules — точек нагрузки (PoL) и модулей питания прямого преобразования (Direct Conversion), которые, как показывает статистика, применяют в свих проектах все большее число инженеров-разработчиков. Преимущества ПЛИС по сравнению с ASIC (интегральная схема для выполнения конкретной задачи), разработанными на заказ, хорошо известны и включают в себя более низкую стоимость, широкий диапазон размеров и возможность изменять конфигурацию ячеек. С другой стороны, ПЛИС-ам требуются современные решения для обеспечения и управления питанием. Но насколько же они должны быть современными? Известно, что в некоторых случаях, существует необходимость запитать до 10 отдельных шин, произвести перенастройку напряжения «на лету», большое количество ПЛИС в своих схемах имеют трансиверы, которые требуют перенастройки входного/выходного напряжения «на лету», что, в свою очередь, означает, что система питания должна управляться программным обеспечением (ПО). Хотя токи здесь относительно низкие, растет потребность в том, чтобы модули питания ПЛИС имели подстраиваемые напряжения для питания процессора (вычислительного/графического) при высоких токах, обеспечивая использование динамически регулируемого потребления энергии. Что в свою очередь требует, чтобы главная шина питания также была конфигурируемой. Такая ситуация ставит перед разработчиками еще одну проблему, решением которой служит функция адаптивного масштабирования напряжения (AVS).

Применение преобразователей PoL в системах питания ПЛИС

Общая потребляемая мощность ПЛИС представляет собой сумму потребляемых мощностей нескольких секций ПЛИС, которые содержат статический и динамический элементы с конкретными требованиями к мощности для таких функциональных компонентов, как, например, трансивер или секции ввода/вывода. Статический элемент в основном имеет ток смещения и утечки, в то время как динамический элемент в значительной степени зависит от конкретного конструктива, схемы применения, конфигурации секции ввода-вывода и выбранной тактовой частоты.

Известно, что низкое напряжение является определенной технической проблемой. Используемый диапазон напряжений до 1В, необходимый для питания активной зоны ПЛИС (процессор, элементы логики), в свою очередь требует подачи высоких значений токов, что ведет к создаются больших потерь, и, как можно догадаться, к образованию избыточного тепла.

С какими проблемами еще нам придется столкнутся? Их довольно много. Например, распределение по шинам питания разных значений напряжения может оказаться затруднительным, как и обеспечить соответствие минимальному и максимальному времени нарастания напряжения при подаче питания. Кроме того, для ПЛИС существует довольно высокое требование к стабильности подаваемого напряжения. Эти требования обеспечиваются за счет установки жестких допусков к напряжению источника питания, повышая тем самым, сложность конструктива модуля питания и, в конечном счете, стоимость проекта.

Несмотря на все головные боли и трудности, связанные с разработкой систем питания ПЛИС, есть и хорошие новости — новейшие цифровые, неизолированные DC/DC преобразователи PoL,и модули питания прямого преобразования, которые предлагают множество функций, необходимых для их успешного решения. В общем сценарии питания ПЛИС — первая шина питания – это питание ядра, затем шина входного/выходного напряжения и вспомогательная шина. Путем распределения отдельных модулей PoL для каждой шины питания ПЛИС можно сконфигурировать временные задержки (синхронизировать) для параллельной работы модулей питания в соответствии со спецификацией ПЛИС. Чтобы продемонстрировать достоинства этой технологии, разработчики Flex Power Modules определили, что большинство потребностей в питании ПЛИС Virtex Ultrascale + VCXU13P FPGA от Xilinx может быть удовлетворено с помощью PoL- модулей питания производства Flex Power Modules, как цифровых , так и аналоговых , а также модулей питания прямого преобразования (Direct Conversion).

Цифровые и аналоговые модули питания ПЛИС — PoL

Цифровые PoL

Возьмем модуль питания BMR467. Он обеспечивает питание основного ядра напряжением 0,85 В / током 100 А, максимальное значение выходного тока до 120 А в диапазоне напряжений от 0,6 В до 1,8 В, что соответствует требованиям по питанию ПЛИС, даже для версии Vlow с Vccint, работающих на 0,72 В. Физические размеры модуля BMR467 — 50,8 мм x 19,05 мм x 10,4 мм, что позволяет разместить его на плате вблизи ПЛИС, минимизируя длину проводников, по которым протекает ток величиной значения до 120А. Еще одно решение от Flex Power Modules – модуль питания BMR461. Следует отметить, что функционально BMR461 может быть сконфигурирован, в зависимости от приложения, в котором он используется, с одним или двумя выходами, что означает, что одно устройство может одновременно запитать две различные шины ПЛИС, экономя затраты на дополнительные электронные компоненты и площади платы. В Таблицах 1 и 2 показаны цифровые преобразователи PoL для питания ПЛИС и их основные параметры:

Табл. 1 Цифровые преобразователи PoL

Табл.2 Основные параметры цифровых PoL для питания ПЛИС

Цифровые PoL обеспечивают программное управление выходным напряжением, поддерживающее напряжение ядра и входного/выходного напряжения от 0.6V до 5,5 В. Кроме того, встроенная система адаптивного масштабирования напряжения AVS по шине управления PMBus позволяет разработчикам оптимизировать и значительно снизить энергопотребление. Хочется отметить, что цифровые PoL с шиной PMBus, разработаны на основе схемы с контуром управления, благодаря которой обеспечивается быстрой отклик на переходные процессы, что делает их идеальным решением для отработки происходящих изменений в работе нагрузки, типичных для приложений с ПЛИС. Основные параметры конфигуриуютс по шине управления PMBus, так же некоторые типы модулей питания PoL имеют функцию динамической компенсации.

Аналоговые PoL

По отношению к цифровым, аналоговым преобразователям PoL характерны менее широкий диапазон выходных токов, более крупные размеры и более низкое значение КПД (ниже на 3–7% в зависимости от изделия), а также универсальный диапазон входных напряжений 3 В–36 В постоянного тока. В Табл.3 и Табл.4 приведены аналоговые преобразователи PoL для питания ПЛИС и их основные параметры:

Табл. 3 Аналоговые преобразователи PoL

Табл.4 Основные параметры аналоговых PoL для питания ПЛИС

Модули питания ПЛИС прямого преобразования ( Direct Conversion )

Модули питания Direct Conversion – ​это модульные DC/DC преобразователи, понижающие стандартное входное напряжение 48 или 54 В до уровня 0,6–1,8 В, в зависимости от типа нагрузки. Основное назначение модулей Direct Conversion – ​обеспечение питанием процессоров (CPU), графических процессоров (GPU), ПЛИС (FPGA) и памяти. Как и многие современные преобразователи, модули Direct Conversion поддерживают интерфейсы PMBus, AVS, VR13 и IBM Intel Power9 (P9), которые позволяют выполнять настройку, управление и контроль параметров системы питания. В Табл.5 и Табл.6 приведены модули питания ПЛИС прямого преобразования (Direct Conversion) и их основные параметры:

Табл.5. Модули питания прямого преобразования для питания ПЛИС

Табл.6 Основные параметры модулей питания прямого преобразования BMR481 и BMR482

Программное обеспечение Power Design обеспечивает оптимизацию рабочих параметров

Те, кто стремится максимально использовать потенциал высокомощных модулей питания Flex Power Modules и, соответственно ПЛИС, определенно выиграют используя программное обеспечения Flex Power Designer, бесплатного инструмента для виртуального проектирования систем питания. Все параметры модулей питания могут быть сконфигурированы с помощью этого программного обеспечения, которое также позволяет отслеживать заданные рабочие параметры модуля питания, создавать графики важных параметров, таких, например, как изменение температуры в зависимости от времени. Фактически, внедрено тепловое моделирование, уникальная функция для программного обеспечения такого типа. В конечном счете, появление новейших преобразователей PoL, модулей питания прямого преобразования и связанного с ними программного обеспечения означает, что разработка решений по энергоснабжению для новейших ПЛИС, с их сложными требованиями к большому количеству шин питания, потребностями в синхронизации и высоким мощностям, является гораздо менее сложной, чем когда-либо ранее. Новые версии Flex Power Designer включают в себя эталонный инструмент проектирования для ПЛИС (FPGA) Xilinx, который автоматически предлагает подходящие модули питания. Flex Power Modules ведет постоянную работу по оптимизации производительности и стоимости продукции. В данном ПО реализована функция проектирования систем питания для ПЛИС Xilinx, позволяющая выполнять более простое и точное моделирование с учетом потребностей конкретных моделей ПЛИС Xilinx. В 2021г. Flex Power Modules стал партнером XILINX в разработке модулей питания ПЛИС.

На сегодняшний день Flex Power Modules выпускает широкий модельный ряд модулей питания для ПЛИС по согласованным и одобренным Xilinx спецификациям и требованиям, поэтому применение преобразователей Flex Power Modules гарантирует надежную и стабильную работу разрабатываемых систем питания для проектов различных приложений с использованием ПЛИС. Воплощенный в готовые изделия опыт Flex Power Modules и предлагает применить в своих решениях российским разработчикам электроники.