Как правильно делать систему питания для плис

Достаточно рискованно полагаться на авось, откладывая разработку системы питания на потом, когда все проблемы, связанные с цифровой частью проекта, включая программирование сердца системы — FPGA, уже будут решены. Если вы поступили так, то даже незначительные проблемы в решении управления питанием могут надолго задержать выход проекта на линейку готовности для производства и на рынок. Нельзя также забывать, что свой вклад в эту задержку вносит и время, которое требуется
просто на отладку системы питания. Все это в итоге может обесценить уже проделанную работу по проекту. В предлагаемом переводе статьи [1], содержащем ряд дополнений, рассматриваются проблемы по организации питания FPGA — одного из важнейших функциональных элементов современной электроники, и предлагается решение от компании Analog Devices Inc. (далее — ADI).

Введение
Программируемые пользователем вентильные матрицы (Field-Programmable Gate Array, FPGA) ведут свою историю с 1985 года, когда сооснователи компании Xilinx Росс Фримен и Бернард Вандершмит изобрели первую коммерчески пригодную FPGA XC2064. Матрицы эволюционировали от программируемых постоянных запоминающих устройств и программируемых логических интегральных схем (*1)
С тех пор ресурсы, скорость и эффективность FPGA значительно улучшились, что
делает их идеальным решением для самого широкого спектра приложений, предназначенных для вычислений и обработки данных, особенно когда объем производства не оправдывает затраты на разработку специализированных интегральных схем ASIC (Application-Specific Integrated Circuit). FPGA продвинулись до такой степени, что нашли применение и в крупномасштабных развертываниях. Например, после успешного ускорения поисковой системы Bing с помощью FPGA в пилотной программе 2013 года компания Microsoft расширила использование серверов, оборудованных FPGA, вплоть до своих облачных центров обработки данных. Весьма перспективным направлением для применения FPGA являются ускорители и высокоскоростная обработка данных для нейронных сетей (*2).

Требования к системе питания FPGA
FPGA нельзя отнести к простым компонентам, кроме программирования для современных FPGA; в виду их специфики, как правило, необходимо несколько различных низковольтных шин питания, каждая со своими требованиями в части напряжения и тока. Они используются для питания внутренней логики ядра FPGA, схем ввода/вывода (I/O), вспомогательной логики,
трансиверов и встроенной памяти. Эти шины, чтобы избежать повреждения FPGA, обычно
должны включаться и выключаться в определенной последовательности.
Что касается непосредственной организации питания, оптимальным решением здесь
является технология Point-of-Load, то есть «питания в нагрузку», или сокращенно PoL, когда стабилизаторы напряжения понижают более высокое входное напряжение основной или промежуточной шины питания платы до нескольких более низких напряжений, требуемых непосредственно самой FPGA. Если эффективность преобразования мощности имеет первостепенное значение, а оно так и есть в большинстве случаев, то используются импульсные стабилизаторы напряжения, тогда как линейные стабилизаторы, например с малым собственным падением напряжения — LDO (Low Dropout), применяются уже для чувствительных к шуму
схем, таких как фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ), АЦП и приемопередатчики. В этом случае линейные стабилизаторы играют роль не только источников питания, но и фильтров.
Типичные входные напряжения платы составляют 5, 12, 24 и 48 В, в то время как напряжение на шинах FPGA находится в пределах >1–3 В. Соответственно, для высоких входных напряжений (12, 24 и 48 В) понадобится дополнительное ступенчатое снижение, которое может потребоваться для формирования напряжения промежуточной шины, питающей непосредственно стабилизаторы напряжения системы PoL (рис. 1).

Такая организация питания называется распределенной. Среди шин FPGA для питания ядра (Core) требуется самое низкое напряжение (около или ниже 1 В) с высокой точностью поддержания (±3% или выше), причем в зависимости от использования ресурса FPGA с уровнями тока в десятки ампер.
Во избежание логических ошибок изменение напряжения питания должно быть ограничено десятками милливольт, как того требует спецификация на допуск отклонения напряжения шины FPGA. Кстати, это касается не только условий постоянно потребляемого тока, то есть стационарного режима, но и динамического режима, во время переходных процессов, например при сбросе/набросе нагрузки, что для FPGA является в целом обычной ситуацией. Чем ниже точность поддержания напряжения постоянного тока блока питания стабилизатором, тем больше требуется емкость шунтирующего шину конденсатора, необходимая для поддержания приемлемого напряжения питания в условиях переходных процессов на этой шине.
Как уже было сказано, точность стабилизации напряжения источника питания FPGA, как правило, должна быть довольно высокой, и наиболее распространенным здесь является диапазон отклонения в ±3%. Так, поддержание напряжения ядра FPGA типа Stratix V компании Intel (технология 28 нм) с точностью ±3% требует полного диапазона отклонения напряжения, не превышающего 25,5 мВ. Столь малый интервал включает отклонение напряжения во время переходных процессов, а также точность установления и поддержания постоянного напряжения
в стационарном режиме. Соответственно, отклонение в ±2% для переходных процессов предполагает наличие источника питания с точностью поддержания напряжения в стационарном режиме не хуже, чем ±1%. С другой стороны, менее точный источник постоянного напряжения, например со стабилизацией на уровне ±2%, оставляет для переходных процессов всего ±1%, что потребует использования на шине компенсирующего конденсатора большей емкости, чем в предыдущем примере.
Кроме того, необходимо учитывать, что может понадобиться настройка или подстройка уровня напряжения питания той или иной шины FPGA относительно заданного значения по умолчанию. Это бывает необходимо для внесения изменений, как случается (и очень часто), в самый последний момент (например, чтобы компенсировать падение напряжения на трассе подключения, что при больших токах далеко не редкость) или при повторном использования проекта, но уже в другом приложении. Также это полезно при проверке технологического запаса конкретного решения уже на готовой печатной плате и оптимизации энергопотребления системы в динамическом режиме в ходе ОКР или при доработке (что тоже не редкость) уже при эксплуатации в полевых условиях. В этих случаях использование подстроечных резисторов не будет надежным решением, особенно в условиях жесткой среды эксплуатации, а перепайка резисторов цепи обратной связи источника питания является далеко не самым быстрым и не наиболее легко
выполнимым вариантом.
Один из способов подстройки напряжения — применение цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), управляющего цепью обратной связи стабилизатора напряжения (рис. 2), для чего потребуется соответствующий программный код. Этот код должен быть написан для процедуры подстройки так, чтобы получить данные измерения напряжения питания от аналого-цифрового
преобразователя (АЦП), потом вычислить правильный код ЦАП, а уже затем медленно настроить выход ЦАП в соответствии с вычисленным кодом для плавного изменения напряжения питания до целевого уровня, без сбоев или недопустимого превышения. Эту процедуру подстройки необходимо повторить с течением времени, чтобы гарантировать, что источник питания не уходит
от целевого напряжения из-за компонентов, подверженных временной деградации или зависящих от температуры.

Не менее важно понимать работоспособность системы и энергопотребление при различных сценариях, поскольку FPGA часто является сердцем электронной системы, имеет мониторинг напряжений питания, токов потребления и ее исправности. Такое понимание в сочетании с возможностью подстройки входных напряжений позволяет избежать перепроектирования (в худшем случае) и как минимум сократить затраты и сэкономить электрическую энергию. Кроме того, потенциальная неисправность системы может проявиться как ненормальная тенденция в потреблении энергии FPGA, предупреждая хост-контроллер или обслуживающий персонал, прежде чем плата или система выйдет из строя. Для контроля напряжения требуются АЦП, тогда как для
контроля тока дополнительно понадобится схема сдвига уровня, необходимая для преобразования напряжения с датчика тока на стороне высокого напряжения в напряжение, привязанное к общему проводу (как мы часто и не вполне верно говорим, «заземлению»). Это можно реализовать, например, с помощью усилитель тока, управляемого напряжением (УТУН), как показано на рис. 3.

После прочтения этого длинного списка неотложных, подлежащих обсуждению вопросов и решению проблем, голова может пойти кругом, и это мы еще не обсуждали управление неисправностями. А вопросов, требующих анализа и соответствующего решения, тут немало. Например, что должно произойти, если на выходе PoL мы вдруг нежданно-негаданно имеем недопустимо пониженное или повышенное напряжение, то есть оно окажется за пределами определенного для FPGA диапазона питающего напряжения? Должен ли быть отключен только
неисправный источник питания или отключены и все другие источники питания? Как отладить ошибку, которая вот так вырубила плату?
Как мы видим, управление системой питания FPGA может очень быстро усложниться, отвлекаясь от ее основного назначения. Кроме того, FPGA не существует сама по себе — это элемент упрощения основного решения. Соответственно, распределенное питание, которое мы применяем для FPGA, — лишь часть всей системы питания на плате цифровой обработки. Большинство вышеперечисленных требований применяется и к другим цифровым устройствам,
таким как ASIC, цифровые сигнальные процессоры (DSP), графические ускорители, системы на кристаллах (SoC), микропроцессоры, и не только. А значит, здесь для управления системой питания понадобится простое, масштабируемое и гибкое решение. Как выход — цифровая система управления питанием.

Цифровое управление питанием
Для работы со сложными системами электропитания, установленными на платах цифровой обработки, компания ADI предлагает набор устройств для организации цифровой системы управления электропитанием (Digital Power System Management, DPSM). Устройства DPSM доступны с уже интегрированным преобразованием напряжения постоянного тока (DC/DC-преобразователями) и без него, для замены стабилизаторов напряжения PoL или для работы с существующими PoL-стабилизаторами. Чистая система контроля питания, то есть без преобразования постоянного тока в цифровой, добавляет цифровой контроль и управление к любой существующей аналоговой системе электропитания, будь то импульсные DC/DC-преобразователи или линейные LDO-стабилизаторы. Лишь одно устройство, такое как LTC2980 [2] от компании ADI, подстраивает напряжения, осуществляет мониторинг напряжения/тока и маржирование напряжения, обеспечивает безопасный интервал, отслеживает его, задает последовательность включения/выключения, контролирует, ведет журнал учета отклонений
и отслеживает системные ошибки шестнадцати PoL-стабилизаторов напряжения. Устройства с разным количеством каналов (2, 4, 8 или 16 каналов) могут работать совместно и быть согласованы для управления сотнями шин. Двухканальный LTC2972 [3] является последним дополнением к этому портфолио, предоставляя наиболее простое, но полнофункциональное решение для мониторинга и управления двумя наиболее критическими шинами в такой системе питания, как, например, шина питания ядра FPGA и шина питания ее вспомогательной логики.

Двухканальная микросхема управления электропитанием
Микросхема LTC2972 — это двухканальный диспетчер систем электропитания, добавляющий к системам питания FPGA, ASIC и процессорных плат всесторонний программный мониторинг, управление и регистрацию неисправностей по типу «черного ящика». Использование LTC2972 в системе питания ускоряет выход на рынок конечного продукта, а также повышает надежность
конечной системы и оптимизирует ее потребление энергии (рис. 4).

Выходные напряжения питания технологии PoL подстраиваются, измеряются и отслеживаются с помощью лучшего в своем классе 16‑разрядного АЦП с общей нескорректированной ошибкой, не превышающей 0,25%, что увеличивает надежность и долгосрочную производительность системы.
Способность подстройки выходного напряжения PoL до уровня в ±0,25% от заданного предоставляет больший запас по допустимым отклонениям во время переходных процессов, связанных с изменением нагрузки (±2,75% для спецификации шины FPGA, требующей типовых ±3%). Это значительно уменьшает необходимую емкость конденсатора шины и освобождает место на печатной плате. Выходные токи питания измеряются с помощью резистора или собственного сопротивления силового дросселя по постоянному току — DCR, выполняющих роль
датчика тока или с выхода IMON источника питания. Полученные значения напряжения и тока умножаются внутри LTC2972, что обеспечивает удобное считывание выходной мощности
PoL-стабилизаторов.
Еще одним важным моментом может быть требуемая определенная последовательность подачи и снятия напряжений. Эта опция вместе с контролем уровней и регистрация ошибок встроена в электрически стираемую программируемую постоянную память (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM). предусмотренную в LTC2972. Последовательность
выполняется с задержками по времени, записанными во внутренний регистр, или с каскадными сигналами по флагу Power Good, показывающему, что очередное напряжение на шине уже находится в заданных пределах. О сбоях, когда входное напряжение для PoL-стабилизаторов напряжения или их выходное напряжение, а также температура отклоняются от заданных цифровым образом нижних и верхних допустимых значений, сигнализируют специально назначенные быстродействующие компараторы. Отказы запускают запись в «черный ящик» EEPROM, что упрощает их последующий анализ и обеспечивает понимание того, как ваша система
может быть улучшена в дальнейшем. Уже самая первая, единичная команда отказа обеспечивает дополнительное понимание причин сбоя системы. При этом отказ одного источника питания может должным образом изменить поведение других источников питания или других устройств DPSM.
Как уже было сказано, микросхема LTC2972 обеспечивает мониторинг напряжения, тока,
мощности и расхода энергии между входами промежуточной шины и преобразователями технологии PoL. Контроль общего энергопотребления, в том числе и энергопотребления печатных плат, является необходимым условием для управления, оптимизации и сокращения потребления энергии с целью снижения затрат на охлаждение серверов и центров обработки данных, ну и конечно, уменьшения сумм в счетах на ее оплату. Использование LTC2972 освобождает хост
от обременительных опросов и вычислений путем удобного предоставления входной энергии, указанной в джоулях, и истекшего времени через интерфейс PMBus, который является отраслевым стандартом для связи с устройствами управления питанием и преобразования мощности. В сочетании с цифровыми измерениями выходных напряжений, токов и мощности источников питания технологии PoL LTC2972 позволяет осуществлять долгосрочный мониторинг эффективности преобразования мощности всей энергосистемы конечного приложения.
Программируемый источник питания или универсальный вход/выход (General-Purpose Input/Output, GPIO) доступны для каждого канала. А для координации последовательности и устранения неисправностей более чем двух шин LTC2972 соединяется с другими микросхемами
управления питанием общей энергосистемы. Для гибкого программирования и считывания данных энергосистемы используются PMBus-совместимые команды через интерфейс I2C/SMBus. Конфигурирование осуществляется через среду разработки LTpowerPlay, которая поддерживает все продукты DPSM от Analog Devices [5, 6].
LTpowerPlay представляет собой мощную среду разработки на базе Windows, которая
поддерживает устройства управления системой питания (Power System Management, PSM) компании Analog Devices и позволяет решать множество различных задач, таких как использование для оценки работы микросхем Analog Devices с подключением к системе демонстрационной платы и в автономном режиме (без использования аппаратного обеспечения) для создания учитывающего несколько микросхем файла конфигурации, который можно сохранить и перезагрузить позже. Он также предоставляет эффективные функции диагностики
и отладки и послужит ценным диагностическим инструментом во время тестирования платы, настройки схемы управления питанием или диагностики проблем с питанием при его включении.
Пример использования LTpowerPlay для управления питанием применительно к целям настоящей статьи приведен на рис. 5.

Как только внутренняя EEPROM запрограммирована с необходимой конфигурацией для конкретного приложения, для автономной работы больше не потребуется какого-либо программного кодирования.

Заключение
Программируемые пользователем вентильные матрицы FPGA находят применение во всех больших типах электронных систем, в ряде приложений принимая на себя даже работу ASIC. Но они нуждаются в сложной системе питания и, соответственно, ее мониторинге и управлении. В ответ на эти вызовы компания Analog Devices предлагает широкий спектр продуктов DPSM, предназначенных для того, чтобы помочь справиться с этой сложной задачей на современном
уровне. Если вы никогда раньше не пробовали на практике использовать рассмотренную в предлагаемой статье прогрессивную технологию цифрового управления питанием, то микросхема LTC2972 и станет тем простым в применении устройством, которое поможет вам освоить ее и выйти на новый уровень снижения сложности управления распределенной системой питания на платах цифровой обработки.
Программа технического сотрудничества компании Analog Devices позволяет заказчикам упростить подключение быстродействующих и прецизионных преобразователей данных, ВЧ ИМС и других компонентов Analog Devices к FPGA и микропроцессорам. Совместно с ключевыми производителями отрасли компания стремится к упрощению проектов для FPGA, предлагая полнофункциональные типовые проекты и средства проектирования, в том числе коды HDL,
драйверы устройств и готовые примеры проектов, которые позволяют быстро создавать
прототипы и сократить цикл разработки. Ознакомиться с типовыми решения, совместимыми с FPGA и процессорами можно по ссылке [4]. n

Литература
1. Sachdev P. FPGA Power System Management.
www.analog.com/ru/design-notes/fpga-powersys-mgmt.html
2. LTC2980 16‑Channel PMBus Power System Manager.
www.analog.com/ru/products/ltc2980.html
3. LTC2972 2‑Channel PMBus Power System Manager Featuring Programmable Power Good Outputs.
www.analog.com/ru/products/ltc2972.html
4. Типовые решения, совместимые с FPGA и процессорами.
www.analog.com/ru/design-center/reference-designs/fpga-compatible-referencedesigns.html
5. LTpowerPlay. www.analog.com/ru/design-center/ltpower-play.html
6. Сачдев П. Программное управление аппаратной частью системы питания // Компоненты и технологии. 2014. № 9.

(*1) От последних за ними в русскоязычной технической литературе так и закрепилось не вполне соответствующая текущей действительности аббревиатура ПЛИС, поэтому далее по тексту — FPGA.
(*2) Для переводчика данной статьи одним из успешных проектов, основанных на использовании FPGA, был оригинальный видеоадаптер человеко-машинного интерфейса. Применение FPGA освободило ресурсы процессора и аппаратную часть общего решения.

Основы построения систем питания ПЛИС

Программируемые логические схемы предъявляют особые требования к конструированию источников питания. В статье рассматриваются особенности проектирования источников питания ПЛИС Xilinx с применением ИС питания фирмы Semtech.

Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), как FPGA, так и CPLD, находят все большее применение в разнообразных областях и решают различные задачи — от простой логики до цифровой обработки сигналов, и поэтому, для их питания требуются различные уровни мощности. В целом, мощность, необходимая для питания ПЛИС, определяется следующими факторами: тип ПЛИС, ее рабочая частота, температура окружающей среды, число задействованных линий ввода-вывода и, конечно, процент используемых ресурсов ПЛИС.

По большому счету, проектирование источника питания ПЛИС — сложная инженерная задача. Каждая фирма-разработчик ПЛИС публикует соответствующую документацию по построению схем питания своих устройств. Чтобы упростить этот процесс, фирма Xilinx разработала специальное программное средство для оценки мощности потребления ПЛИС — Xilinx Power Estimator [1].

В статье подробно обсуждаются вопросы проектирования систем питания ПЛИС.

В качестве элементной базы для построения систем питания рассмотрены компоненты фирмы Semtech. Для этих целей компания выпускает широкий спектр интегральных схем (ИС) с уникальными характеристиками, как линейных, так и импульсных. Таким образом, с помощью только стабилизаторов фирмы Semtech можно полностью решить проблему питания любой системы на основе ПЛИС.

Уникальные требования к системе питания ПЛИС

Основная функция системы управления питанием ПЛИС ясна: обеспечить ПЛИС и сопряженные с ней схемы стабилизированным напряжением во всех режимах работы в точно установленных пределах изменения нагрузки. Но, как правило, достичь этого не так просто, поскольку необходимо учитывать следующие факторы: изменение температуры окружающей среды и тока нагрузки, флуктуацию входного напряжения. К тому же по потребляемой мощности ПЛИС значительно отличаются от других интегральных схем.

На ПЛИС реализуется неограниченное число всевозможных конфигураций схемы, работающих на разных тактовых частотах и, следовательно, потребляющих разную мощность. А так как исходными данными для проектирования системы питания ПЛИС является потребляемая мощность, разработчик должен иметь максимально четкое представление о проектируемой системе и условиях ее функционирования. Для этого необходимо определить:

Блок-схема системы питания ПЛИС

тактовую частоту ПЛИС (потребляемая мощность пропорциональна частоте);
количество задействованных ресурсов ПЛИС;
скорость передачи данных, осуществляемых ПЛИС;
наличие конфигурационного перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ);
число необходимых питающих напряжений и отдельных источников питания;
диапазон рабочих температур.

Кроме того, для построения оптимальной системы питания ПЛИС разработчику предстоит правильно спроектировать топологию печатной платы и заземление всей системы. В общем, данная система питания должна удовлетворять следующим требованиям, которые обсуждаются в примерах применения для ПЛИС [4–9]:

ограничить параметры переходного процесса при включении питания. Для этого:
- обеспечить значительный ток (1–2 А) при включении питания,
- обеспечить монотонность протекания переходного процесса по напряжению питания,
- время протекания переходного процесса до номинального значения напряжения не должно быть больше определенной величины, указанной в спецификации для конкретного семейства ПЛИС, в зависимости от типа семейства ПЛИС требуется обеспечить определенную последовательность подачи питающих напряжений;
максимально снизить уровень высокочастотного шума, неизбежного в цифровых высокоскоростных схемах. Для этого необходимы:
- раздельные шины питания для различных основных потребителей тока,
- установка достаточного количества шунтирующих конденсаторов,
- корректная разводка печатной платы.

Рис. 1. Блок-схема системы питания ПЛИС В целом структурная схема системы питания ПЛИС (рис. 1) состоит из первичного источника питания, формирующего входное напряжение (V_in) для стабилизатора напряжения, схемы, устанавливающей последовательность подачи различных напряжений и по необходимости схемы слежения за уровнями напряжений (супервизор). Следует особо отметить, что одним из ключевых компонентов системы питания ПЛИС является цепочка шунтирующих конденсаторов вокруг ПЛИС. Они позволяют распределить рабочий ток между потребителями, используя низкоимпедансные пути прохождения тока, тем самым снижая уровень высокочастотного шума. Кроме того, к важным моментам относится и правильность разводки печатной платы, особенно земляных полигонов. Уровни питающих напряжений ПЛИС Для питания разных функциональных блоков ПЛИС используются различные уровни напряжения. Для обеспечения одного уровня напряжения необходим один вторичный источник питания. Все ПЛИС нуждаются в источнике напряжения питания ядра, но большинство сложных ПЛИС испытывают потребность и в отдельном источнике напряжения питания для блоков ввода-вывода, источнике опорных напряжений, источнике напряжения для терминальных резисторов и источнике напряжения для дополнительных функций. Рассмотрим более подробно типы напряжения питания, необходимые для ПЛИС Xilinx:

V_CCINT. Внешнее напряжение питания ядра. Является основным питающим напряжением ПЛИС и, как правило, обеспечивает большую часть мощности, затрачиваемой в ПЛИС. Основное напряжение источника зависит от семейства ПЛИС. Ряд основных напряжений питания включает: 1,2; 1,5; 1,8; 2,5; 3,3 и 5,0 В. Напряжение питания ядра может использоваться и для питания конфигурационного ППЗУ.
V_CCO. Напряжение питания блоков ввода-вывода. ПЛИС от Xilinx содержат блоки ввода-вывода, которые могут быть сконфигурированы для работы по различным стандартам. В зависимости от того, какой стандарт выбран разработчиком, применяются различные уровни напряжений (1,5; 1,8; 2,5; 3,0 и 3,3 В). Конфигурирование блоков ввода-вывода возможно в одной и той же ПЛИС, но подразумевает наличие нескольких источников напряжения питания устройства ввода-вывода (V_CCO).
V_CCAUX. Вспомогательное напряжение питания, необходимое для различных вспомогательных функций ПЛИС, например для устройства управления тактовой частотой или интерфейсом JTAG. Вспомогательные устройства более чувствительны к шуму, нежели другие, и поэтому V_CCAUX имеет более высокие требования по развязке для минимизации наведенного шума. Напряжения V_CCAUX могут быть 2,5 и 3,3 В. В случае если источник питания ядра напряжением V_CCO обладает низким шумом, от него можно запитать блоки вспомогательных функций.
V_CCAUXTX. Вспомогательное напряжение питания для RocketIO-трансиверов, которыми располагает семейство ПЛИС Virtex-II Pro. Это питающее напряжение обладает особыми требованиями к шуму. Устройство должно быть запитано отдельным стабилизатором напряжения, подключенным к отдельной заземляющей поверхности на печатной плате (GNDA).
V_REF. Опорное напряжение питания необходимо для дифференциального порта, использующего различные стандарты ввода-вывода, таких как LVDS.
V_TT. Напряжение питания терминальных резисторов.

Последовательность подачи питающих напряжений В зависимости от семейства ПЛИС может потребоваться определенная последовательность подачи питающих напряжений. Для семейства Spartan-IIE требуется одновременная подача напряжений V_CCINT и V_CCO. Если напряжение ядра V_CCINT подать раньше напряжения питания блоков ввода-вывода, ток может резко вырасти из-за того, что линии ввода-вывода не находились в высокоимпедансном состоянии. Тем не менее, если ток I_CCPO обеспечивается источником питания V_CCINT, процесс включения будет успешным независимо от последовательности подачи питающих напряжений. Для семейства Virtex-II Pro очередность включения источников не важна, за исключением источника V_CCAUX, который должен включаться раньше V_CCO, чтобы обеспечить минимальный ток от источника питания. Для уточнения конкретных требований следует обратиться к оригинальной документации. Одно из решений проблемы очередности подачи питающих напряжений — применение стабилизаторов напряжения с дополнительным выводом разрешения работы. Основные рекомендации по выбору источника питания Для питания ПЛИС предназначены как схемы понижения первичного напряжения питания, так и схемы повышения. В первом случае можно использовать стабилизаторы не только непрерывного действия, но и ключевые. Во втором — лишь импульсный тип преобразования напряжения. Рассмотрим критерии выбора типа стабилизаторов напряжения. Линейные и импульсные стабилизаторы напряжения Как только определена максимальная мощность и напряжение питания ПЛИС, можно выбрать тип преобразователя. В таблице 1 представлены основные функциональные отличия линейных стабилизаторов напряжения от импульсных. Таблица 1. Сравнение линейных и импульсных стабилизаторов напряжения

Параметр	Линейный	Импульсный
Сложность проектирования	низкая	от средней до высокой
Напряжение пульсаций на выходе	низкое	от среднего до высокого
Необходимость в радиаторе	да	нет
Эффективность	низкая	высокая
Стабилизационные характеристики	отличные	от средних до хороших оптимальных
Генерация помех	низкая	от средней до высокой
Длительность переходных процессов	от средней до быстрой	от медленной до средней
Предельно допустимый выходной ток	от низкого до умеренного	от низкого до высокого
Нестабильность напряжения	от низкой до высокой	от очень низкой до средней
Возможность регулирования напряжения	есть	есть
Повышение выходного напряжение	отсутствует	имеется
Стоимость	низкая	от умеренной до высокой
Уровень шума	низкий	от среднего до высокого

Кроме очевидных параметров установившегося состояния напряжения источника питания и потребляемого тока существует несколько других требований для источника напряжения, которые проявляются во время переходного процесса при включении питания и во время работы ПЛИС. Наиболее важными из них являются: тип переходного процесса по напряжению при включении питания, монотонность его протекания, наличие шумов в цепи питания и в цепи заземления (совместный коммутационный шум). Совместный коммутационный шум может быть снижен цепью шунтирующих конденсаторов. Характеристика ИС стабилизаторов компании Semtech Рассмотрим характеристики стабилизаторов, рекомендуемых компанией Semtech для проектирования источников питания ПЛИС Xilinx. Они представлены в таблицах выбора (таблицы А, Б, В приводятся в конце статьи), разработанных инженерами компании Semtech. Линейные стабилизаторы Компанией Semtech производятся два типа устройств: линейные стабилизаторы и контроллеры линейных стабилизаторов (без встроенного проходного транзистора). Линейные стабилизаторы Semtech обладают высокой точностью (от 1 до 3,5%), поставляются в различных корпусах и располагают дополнительными функциями, такими, как температурная защита, защита от превышения тока и режим отключения, в котором ИС потребляют около 10 мкА. Стабилизаторы Semtech выпускаются сфиксированным или регулируемым выходным напряжением на выходной ток до 10 A, для стабилизаторов с ультранизким падением напряжения это напряжение составляет 75 мВ. Ряд стабилизаторов специфицирован на уменьшение выходного шума, его среднеквадратичное значение составляет 26 мкВ. Компания Semtech, будучи одной из ведущих компаний в области разработки устройств защиты от электростатических (ESD) и электромагнитных (EMI) помех, производит некоторые стабилизаторы с защитой от ESD, согласно стандарту JEDEC JESD22-A114-B. В таблице 2 приведены основные характеристики линейных стабилизаторов и контроллеров, рекомендованных фирмой Semtech для применения в источниках питания ПЛИС Xilinx. Таблица 2. Линейные стабилизаторы и контроллеры Примечание: adj. — регулируемый выход. Таблица отсортирована по возрастанию выходного тока. Импульсные стабилизаторы Импульсные стабилизаторы выпускаются для преобразователей с гальванической развязкой или без гальванической развязки. Серия ИС для импульсных источников питания охватывает все топологии импульсных преобразователей напряжения: понижающая, повышающая, инвертирующая, двухполярный инвертирующий преобразователь Кука (SEPIC). Наиболее распространенной схемой для построения источников питания для микропроцессорной техники является схема понижающего преобразователя с синхронным выпрямлением. Импульсные стабилизаторы компании Semtech — это высоко интегрированные высокоэффективные микросхемы, работающие на высокой частоте преобразования вплоть до 2,5 МГц, что позволяет значительно снизить размеры индуктивностей и конденсаторов, сэкономив пространство на печатной плате. Кроме стабилизаторов изготавляваются также контроллеры без внутреннего ключевого транзистора. Все контроллеры и стабилизаторы обладают встроенными схемами вольтодобавки для управления затворами ключевых транзисторов. Большинство ИС стабилизаторов представляют собой сдвоенные схемы, обеспечивающие два выходных напряжения. В этом случае (для снижения выходных пульсаций) на выходах формируются сигналы с разностью фаз 180°. Некоторые ИС (SC2441/A), кроме двух понижающих контроллеров, имеют и повышающий преобразователь. Он может использоваться для питания драйверов MOSFET понижающих преобразователей или как третий отдельный выход. Стабилизаторы обладают отличными динамическими и переходными характеристиками, обеспечивая ограничения тока в каждом цикле преобразования для защиты от перегрузки по току при коротком замыкании в выходной цепи. Большинство ИС обладают дополнительными функциями: защита от понижения напряжения с гистерезисом, защита от перегрева и плавный старт. Для сдвоенных стабилизаторов дополнительные функции раздельные. Все ИС выполнены в миниатюрных корпусах поверхностного монтажа, что значительно экономит площадь печатной платы и снижает стоимость производства (рис. 2).
Рис. 2. Корпуса ИС SC4501 Необходимо отметить также уровень технической поддержки, осуществляемой фирмой Semtech. Для большинства ключевых стабилизаторов и контроллеров выпускаются отладочные платы, в спецификациях подробно описан принцип работы и примеры применения, а также приводится топология печатной платы и схемы классического применения ИС. В таблице 3 приведены ИС стабилизаторов и контроллеров, рекомендованных компанией Semtech для построения систем питания ПЛИС Xilinx. Таблица отсортирована по возрастанию выходного тока. Таблица 3. Импульсные стабилизаторы напряжения и контроллеры Примечание: adj. — регулируемый выход. Все ИС выполнены в индустриальном диапазоне температур (–40. +85 °С). Рост тока при включении питания Рост тока в момент переходного процесса при включении питания обусловлен особенностями архитектуры ПЛИС, основанной на SRAM-технологии. Каждый раз при включении питания конфигурационная программа загружается в оперативную память (RAM) из внешней постоянной памяти. Однако в течение небольшого периода (порядка нескольких мс) — в момент включения питания — оперативная память находится в случайном состоянии и может вызвать скачок тока благодаря случайному конфликтному соединению внутренних блоков ПЛИС. Для большинства других ИС значительного превышения рабочего тока в момент включения не наблюдается. Рост тока (I_CCPO) при включении питания продолжается несколько миллисекунд и происходит между определенными промежуточными уровнями напряжения. Например, для семейства Spartan переходная характеристика приводится в виде линейно-нарастающего напряжения между 0,6 и 0,8 В. Во время переходного процесса ПЛИС может рассматриваться как низкоимпедансный элемент с сопротивлением от 0,3 до 6 Ом. Для успешной реализации включения ПЛИС и линейного нарастания напряжения в спецификации к ПЛИС приводится минимальное значение тока (I_{CCPO min}), которое должен обеспечить источник питания. Необходимо учесть, что значение этого тока зависит от температуры кристалла (T_j) ПЛИС. Так, для семейства Spartan-II минимальное значение тока при включении питания (I_{CCPO min}) равно 1,5 A (при температуре T_j = –40 °C для промышленного исполнения), а для коммерческого исполнения — 0,25 А (при температуре 0 °С). Таким образом, источник питания во время переходного процесса должен поддерживать ток I_CCPO для обеспечения правильной работы ПЛИС. В процессе конфигурации ПЛИС также наблюдается рост тока на величину порядка 50–100 мА [3]. Верхняя граница тока переходного процесса (I_CCPO) определяется предельной мощностью источника питания, поэтому максимальное значение I_CCPO в спецификации не приводится. Длительность переходного процесса определяется временем реакции источника питания. При проектировании источника питания нужно уделить особое внимание, с одной стороны, требованию обеспечения тока I_CCPO, а с другой — ограничению тока переходного процесса для того, чтобы он не вызвал срабатывание схемы защиты стабилизатора от перегрузки по току и это не привело к его выключению. Для линейных стабилизаторов существует номинальный параметр — ток ограничения при коротком замыкании (I_LIM или I_ОГР). Во время подачи питания ПЛИС может рассматриваться как нагрузка, стремящаяся обеспечить режим короткого замыкания. Поэтому, выбирая стабилизатор, нужно убедиться, что выполняется условие I_LIM > I_CCPO. Для импульсных стабилизаторов компании Semtech существует возможность изменения тока ограничения I_LIM при проектировании схемы источника питания. На рис. 3, 4 изображены переходные процессы напряжения и тока для случая роста тока без ограничения (сплошные линии), а также для случая с ограничением (пунктирная линия). В случае без ограничения рост тока превышает уровень срабатывания схемы защиты от короткого замыкания, в случае использования схем с ограничением по току переходный процесс задерживается на определенное время.
Рис. 3. Рост напряжения
Рис. 4. Ограничение тока Характер роста напряжения при включении питания и требования ко времени переходного процесса В момент включения питания очень важны продолжительность и монотонность протекания переходного процесса по напряжению питания ядра (без колебаний), особенно когда конфигурация ПЛИС происходит сразу после включения питания. Монотонность переходного процесса важна, так как любое падение напряжения V_CCINT при критическом напряжении сброса (V_CCPOR) может прервать поток данных, загружаемых из конфигурационной памяти в ПЛИС. На рис. 3 изображен именно монотонный переходный процесс. Для всех ПЛИС продолжительность протекания переходного процесса по напряжению V_CCINT не должна превышать 50 мс. Этот параметр для каждого семейства ПЛИС разный. Требования к монотонности переходного процесса и его продолжительности также относятся и к конфигурационному ППЗУ. Нарушение подобных требований при включении питания может привести к неверной конфигурации ПЛИС. Наличие конфигурационной памяти ПЛИС тоже накладывает требования на рабочие характеристики источника питания. Например, рис. 5 поясняет требования, предъявляемые к продолжительности переходного процесса по напряжению для семейства конфигурационной памяти XC18V00. Данный пример показывает, что минимальная продолжительность переходного процесса больше чем 200 мкс. Заметьте, что ППЗУ и ПЛИС удерживаются в состоянии сброса до тех пор, пока напряжение V_CCINT не достигнет значения напряжения сброса V_CCPOR. Когда нужное значение достигнуто, осуществляется задержка для достижения напряжением минимального рабочего значения V_{CCINT min}. После сигнала системного сброса начинается процесс загрузки ПЛИС. Обратите внимание, что при медленном нарастании V_CCINT требуется дополнительная задержка для удержания ПЛИС и ПЗУ в состоянии сброса до тех пор, пока напряжение питания не достигнет минимального рабочего значения V_{CCINT min}. Для этого необходимо использовать дополнительную схему слежения за напряжением питания (супервизор).
Рис. 5. Пояснение к требованию скорости роста напряжения питания для семейства XC18V00 с конфигурационной постоянной памятью Если уровень напряжения на входе ПЗУ падает ниже своего минимального порога (V_CCPD) на время большее, чем TRST, то ПЗУ перейдет в состояние сброса, пока V_CC опять не достигнет уровня V_CCPOR. Дополнительная информация представлена в спецификации XC18V00 Series of In-System Programmable Configuration PROMs, DS026 (v5.0). Необходимо также отметить, что при падении напряжения V_CCINT до уровня ниже своего минимального рабочего значения, оно должно достигнуть меньшего значения, чем 0,1 В перед тем, как снова вернется в нормальное рабочее значение. Следовательно, разрядные резисторы должны обеспечивать быстрое снижение напряжения на шунтирующих конденсаторах. Шум источника питания Уровень шума дополнительного напряжения питания V_CCAUX весьма важен для некоторых ПЛИС. Уровень пульсаций и шума для V_CCAUX должен быть ниже 200 мВ пикового значения, а скорость изменения постоянной составляющей этого напряжения не должна быть выше 10 мВ/мс (рис. 6).
Рис. 6. Высокочастотный шум и скорость изменения V_CCAUX Шунтирующие конденсаторы Для снижения уровня высокочастотного шума на каждый вывод питания ПЛИС необходимо ставить шунтирующий конденсатор. Шунтирующий конденсатор для ядра ПЛИС обеспечивает возможность протекания кратковременных переходных токов. В зависимости от семейства ПЛИС и конкретного его применения, ядро может потребовать амперных выбросов тока длительностью 50 пс. Таким образом, частотный диапазон, покрываемый шунтирующими конденсаторами, должен быть от 1 кГц до 500 МГц (см. источник [1. стр. 23]). Кроме того, частотный диапазон может быть разбит на три поддиапазона: низкий, средний и высокий. Для высокочастотного диапазона необходимо использовать конденсатор с низкой индуктивностью и емкостью от 0,0001 до 0,1 мкФ и помещать его на расстоянии не больше чем 1 см от вывода питания ПЛИС. Для определения параметров ВЧ конденсатора Xilinx использует метод «запаса (хранения) средней энергии». Подробно этот метод рассмотрен в [1]. Шунтирующие конденсаторы требуются и для протекания «ключевых» токов блоков ввода-вывода. Общая величина тока системы ввода-вывода определяется числом одновременно коммутируемых выводов (ОКВ или SSO). Максимальное число ОКВ для каждого банка ввода-вывода определено в спецификации конкретной ПЛИС. Процент использования выводов от максимального числа ОКВ определяет количество необходимых шунтирующих конденсаторов [5]. Алгоритм проектирования схемы питания ПЛИС с использованием таблиц выбора Итак, система питания ПЛИС представляет собой набор стабилизаторов, обеспечивающих необходимые уровни питающих напряжений и токов. Поэтому для начала следует определить степень применения ресурсов ПЛИС, а затем оценить потребляемые токи и используемые уровни напряжений. Далее, исходя из семейства и условий работы ПЛИС, выбирают оптимальное решение для системы питания — тип стабилизатора и конкретную ИС. Оптимальный выбор стабилизатора легко осуществить с помощью трех таблиц выбора (приводятся в конце статьи), составленных фирмой Semtech для всех производимых семейств ПЛИС фирмы Xilinx. В таблице А представлены напряжения питания ядра, блоков ввода-вывода и вспомогательные напряжения всех семейств ПЛИС и конфигурационной памяти. Для большинства ПЛИС указан ток потребления в момент подачи питания, максимальный ток потребления блоков ввода-вывода и ток потребления вспомогательными устройствами ПЛИС. Таблица Б предлагает провести выбор стабилизаторов для семейств ПЛИС и памяти. Выбор осуществляется исходя из следующих параметров: напряжение первичного источника питания (V_IN), напряжение ядра ПЛИС (V_INT) и потребляемый ток. Таблица В предоставляет возможность выбора стабилизатора напряжения блоков ввода-вывода и дополнительных функций. Параметрами выбора являются: напряжение подсистемы питания ввода-вывода (V_CCO), первичное напряжения питания V_IN и ток потребления. Удобен следующий алгоритм проектирования системы питания ПЛИС с использованием таблиц выбора ИС стабилизаторов:

Выбрать конкретную ПЛИС и необходимую рабочую частоту.
Оценить потребляемую мощность ПЛИС в соответствии со значением напряжения питания ядра (V CCINT ), ввода-вывода (V_CCO) и вспомогательных функций (V_CCAUX), используя Xilinx Power Estimator [1].
Для определения подходящих ИС стабилизаторов питания используем таблицы выбора (в конце статьи).

По таблице А выбираем необходимые для семейства напряжения питания ядра, блоков ввода-вывода и вспомогательного напряжения. По таблице Б находим ИС стабилизатора для питания ядра ПЛИС. По таблице В определяем ИС стабилизаторов для питания блоков ввода-вывода и питания дополнительных функций.

Таблицы обеспечивают только начальный выбор подходящих стабилизаторов.

Для каждого решения необходимо дальнейшее уточнение условий работы — параметров по постоянному току (входное напряжение, потребляемый ток, рассеиваемая мощность и максимальная температура перехода), а также условий протекания переходных процессов (ток при включении питания, стабильность при изменении импеданса нагрузки). Таблица А. Напряжения питания ядра, линий ввода-вывода и вспомогательные напряжения питания для семейств Xilinx FPGA, CPLD и конфигурационного ПЗУ Таблица Б. Выбор стабилизаторов напряжения для питания ядра ПЛИС (FPGA и CPLD) или конфигурационной памяти
Таблица В. Стабилизаторы для питания линий ввода-вывода и дополнительных функций Пример выбора схемы питания ПЛИС При построении схемы питания необходимо руководствоваться документом [4].

Выберем для примера ПЛИС Virtex-II Pro XC2VP70.
С помощью программного средства [1] оценим потребляемую мощность для всех источников питания используемых в Virtex-II Pro XC2VP70.
- Входное напряжение V_IN = 5 В;
- V_CCINT = 1,5 В, при I_CCINT = 8 А;
- V_CCO = 3,3 В, при I_CCO = 2 A;
- V_CCAUX = 2,5В, при I_CCO = 300 мА.
Из предыдущего шага определили необходимые величины мощности: На основании таблицы Б найдем ИС, удовлетворяющие параметрам мощности. Возможны три следующих решения для источника напряжения V_CCINT:
- импульсный стабилизатор напряжения SC4607;
- импульсный стабилизатор напряжения SC2441 или
- контроллер линейного стабилизатора напряжения SC4210A.
Произведем расчеты рассеяния мощности, температуры перехода кристалла и КПД. Выходная мощность для источника питания напряжением 1,5 В:

P_OCCCINT = V_CCINT x I_CCINT = 1,5 В x 8 А = 12 Вт. Для линейного стабилизатора напряжения входная мощность была бы следующей: P_ICCCINT = V_IN x I_CCINT = 5 VDC x 8 A = 40 Вт. А рассеяние мощности: P_DCCCINT = P_ICCCINT – P_OCCCINT = 40 – 12 = 28 Вт. Тогда КПД был бы следующий: КПД = P_OCCCINT/P_ICCCINT = 12/40 = 30%. Применим транзистор — FDB7030BL (Fairchild). Тогда температура кристалла транзистора составит: T_J = R_JA x P_DCCCINT + T_A = 62,5 x 28 + 40 = 1790 °С намного больше предельно допустимой (150 °С). Таким образом, мы вынуждены будем применить радиатор. Чтобы не рассеивать не нужную мощность и тем самым повысить КПД и снизить габариты источника питания, будем использовать импульсный стабилизатор напряжения. Для питания ядра и блоков ввода-вывода возьмем ИС SC4607. Для питания вспомогательных функций и терминальных резисторов выберем линейные стабилизаторы напряжения со сверхнизким падением напряжения SC4215 и SC1563 соответственно. Заключение Мы рассмотрели только некоторые аспекты разработки источников питания ПЛИС. При конкретном проектировании, конечно, появится множество других вопросов и «подводных камней», например, разводка печатной платы, выбор пассивных компонентов и т. д. Разумеется, больше всего вопросов возникнет при разработке импульсных стабилизаторов, выборе рабочей частоты, ограничении тока, построении выходного фильтра. Данная статья ни в коем случае не претендует на замену оригинальных спецификаций, скорее наоборот — это обзор и руководство по дальнейшему использованию. При проектировании источника питания, естественно, придется обратиться к документации как для ПЛИС, так и для ИС стабилизаторов напряжения. С целью повышения КПД системы питания лучше использовать импульсные стабилизаторы, особенно если первичный источник питания — батарея или аккумулятор. Необходимо также отметить основные достоинства ИС стабилизаторов компании Semtech: высокий КПД, высокая частота работы ключевых стабилизаторов и контроллеров, что обеспечивает малые размеры пассивных элементов, небольшое количество дополнительных элементов, требуемых для построения ключевых стабилизаторов. Все ИС питания Semtech производятся в миниатюрных корпусах для поверхностного монтажа. По материалам «Руководства по проектированию источников питания ПЛИС Xilinx компании Semtech» (Semtech Power Management Application and Design Guide for Xilinx FPGAs). Литература

Интернет-ресурс для расчета потребляемой мощности ПЛИС Xilinx Web Power Tools: www.xilinx.com/products/design_resources/power_central/index.htm
Таблицы выбора ИС питания: www.semtech.com/pc/downloadDocument.do?id=654 (файл FPGAX-SG. pdf)
XAPP158 «Powering Xilinx FPGAs» — «Питание ПЛИС Xilinx».
XAPP189 «Powering Xilinx Spartan-II FPGAs» — «Питание ПЛИС семейства Spartan-II».
Каршенбойм И. Микросхемы FPGA фирмы Actel // Компоненты и технологии. № 2. 2003.
XAPP451 «Power-Assist Circuits for the Spartan-II and Spartan-IIE Families» — «Вспомогательные цепи для питания ПЛИС семейств Spartan-II и Spartan-IIE».
XAPP623 «Power Distribution System (PDS) Design: Using Bypass/Decoupling Capacitors» — «Система распределенного питания, использование шунтирующих конденсаторов».
XAPP689 «Managing Ground Bounce in Large FPGAs» — «Снижение скачков общего потенциала в больших проектах, использующих ПЛИС».
XAPP450 «Power-On Requirements for the Spartan-II and Spartan-IIE Families» — «Требования при включении питания для семейств Spartan-II и Spartan-IIE».
XAPP389 «Powering CoolRunner-II CPLDs» — «Питание ПЛИС семейства CoolRunner-I»I.
XAPP110 «XC9500 CPLD Power Sequencing» — «Последовательность подачи напряжений питания ПЛИС семейства XC9500».

Юрий ШАРОПИН, Владимир БУДАЕВ

Основы построения систем питания ПЛИС Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Шаропин Юрий, Будаев Владимир

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Основы построения систем питания ПЛИС»

систем питания ПЛИС

В целом, мощность, необходимая для питания ПЛИС, определяется следующими факторами: тип ПЛИС, ее рабочая частота, температура окружающей среды, число задействованных линий ввода-вывода и, конечно, процент используемых ресурсов ПЛИС.

В статье подробно обсуждаются вопросы проектирования систем питания ПЛИС. В качестве элементной базы для построения систем питания рассмотрены компоненты фирмы Semtech. Для этих целей компания выпускает широкий спектр интегральных схем (ИС) с уникальными характеристиками, как линейных, так и импульсных.

Таким образом, с помощью только стабилизаторов фирмы Semtech можно полностью решить проблему питания любой системы на основе ПЛИС.

Уникальные требования к системе питания ПЛИС

флуктуацию входного напряжения. К тому же по потребляемой мощности ПЛИС значительно отличаются от других интегральных схем.

1)тактовую частоту ПЛИС (потребляемая мощность пропорциональна частоте);

2) количество задействованных ресурсов ПЛИС;

3)скорость передачи данных, осуществляемых ПЛИС;

4) наличие конфигурационного перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ);

5) число необходимых питающих напряжений и отдельных источников питания;

6) диапазон рабочих температур.

Кроме того, для построения оптимальной системы питания ПЛИС разработчику предстоит правильно спроектировать топологию печатной платы и заземление всей системы.

В общем, данная система питания должна удовлетворять следующим требованиям, которые обсуждаются в примерах применения для ПЛИС [4-9]:

1) ограничить параметры переходного процесса при включении питания. Для этого:

а) обеспечить значительный ток (1-2 А) при включении питания,

б) обеспечить монотонность протекания переходного процесса по напряжению питания,

в) время протекания переходного процесса до номинального значения напряжения не должно быть больше определенной величины, указанной в спецификации для конкретного семейства ПЛИС, в зависимости от типа семейства ПЛИС требуется обеспечить определенную последовательность подачи питающих напряжений;

2) максимально снизить уровень высокочастотного шума, неизбежного в цифровых высокоскоростных схемах. Для этого необходимы:

а) раздельные шины питания для различных основных потребителей тока,

б) установка достаточного количества шунтирующих конденсаторов,

в) корректная разводка печатной платы.

В целом структурная схема системы питания ПЛИС (рис. 1) состоит из первичного источника питания, формирующего входное напряжение (У;п) для стабилизатора напряжения, схемы, устанавливающей последовательность подачи различных напряжений и, по необходимости, схемы слежения за уровнями напряжений (супервизор). Следует особо отметить, что одним из ключевых компонентов системы питания ПЛИС является

Источник V.M Стабилизаторы ^ссо

питания напряжения VAux

Супервизор питания и последовательная подача напряжения

Рис. 1. Блок-схема системы питания ПЛИС

цепочка шунтирующих конденсаторов вокруг ПЛИС. Они позволяют распределить рабочий ток между потребителями, используя низкоимпедансные пути прохождения тока, тем самым снижая уровень высокочастотного шума. Кроме того, к важным моментам относится и правильность разводки печатной платы, особенно земляных полигонов.

Уровни питающих напряжений ПЛИС

Для питания разных функциональных блоков ПЛИС используются различные уровни напряжения. Для обеспечения одного уровня напряжения необходим один вторичный источник питания.

Все ПЛИС нуждаются в источнике напряжения питания ядра, но большинство сложных ПЛИС испытывают потребность и в отдельном источнике напряжения питания для блоков ввода-вывода, источнике опорных напряжений, источнике напряжения для терминальных резисторов и источнике напряжения для дополнительных функций. Рассмотрим более подробно типы напряжения питания, необходимые для ПЛИС Xilinx:

• VCCINT. Внешнее напряжение питания ядра. Является основным питающим напряжением ПЛИС и, как правило, обеспечивает большую часть мощности, затрачиваемой в ПЛИС. Основное напряжение источника зависит от семейства ПЛИС. Ряд основных напряжений питания включает: 1,2; 1,5; 1,8; 2,5; 3,3 и 5,0 В. Напряжение питания ядра может использоваться и для питания конфигурационного ППЗУ.

• VCCO. Напряжение питания блоков ввода-вывода. ПЛИС от Xilinx содержат блоки ввода-вывода, которые могут быть сконфигурированы для работы по различным стандартам. В зависимости от того, какой стандарт выбран разработчиком, применяются различные уровни напряжений (1,5; 1,8; 2,5; 3,0 и 3,3 В). Конфигурирование блоков ввода-вывода возможно в одной и той же ПЛИС, но подразумевает наличие нескольких источников напряжения питания устройства ввода-вывода (VCCO).

• VCCAUX. Вспомогательное напряжение питания, необходимое для различных вспомогательных функций ПЛИС, например для устройства управления тактовой частотой или интерфейсом JTAG. Вспомогательные устройства более чувствительны к шуму, нежели другие, и поэтому VCCAUX имеет более высокие требования по развязке для минимизации наведенного шума. Напряжения VCCAUX могут быть 2,5 и 3,3 В. В случае если источник питания ядра напряжением VCCO обладает низким шумом, от него можно запитать блоки вспомогательных функций.

• VCCAUXTX. Вспомогательное напряжение питания для RocketIO-трансиверов, которыми располагает семейство ПЛИС Virtex-II Pro.

Это питающее напряжение обладает особыми требованиями к шуму. Устройство должно быть запитано отдельным стабилизатором напряжения, подключенным к отдельной заземляющей поверхности на печатной плате (GNDA).

• VREF. Опорное напряжение питания необходимо для дифференциального порта, использующего различные стандарты ввода-вывода, таких как LVDS.

• VTT. Напряжение питания терминальных резисторов.

Последовательность подачи питающих напряжений

В зависимости от семейства ПЛИС может потребоваться определенная последовательность подачи питающих напряжений. Для семейства Spartan-IIE требуется одновременная подача напряжений VCCINt и VCCO. Если напряжение ядра VCCINT подать раньше напряжения питания блоков ввода-вывода, ток может резко вырасти из-за того, что линии ввода-вывода не находились в высокоимпе-дансном состоянии. Тем не менее, если ток ICCPO обеспечивается источником питания VCCINT, процесс включения будет успешным независимо от последовательности подачи питающих напряжений. Для семейства Virtex-II Pro очередность включения источников не важна, за исключением источника VCCAUX, который должен включаться раньше VCCO, чтобы обеспечить минимальный ток от источника питания. Для уточнения конкретных требований следует обратиться к оригинальной документации.

Одно из решений проблемы очередности подачи питающих напряжений — применение стабилизаторов напряжения с дополнительным выводом разрешения работы.

Основные рекомендации по выбору источника питания

Для питания ПЛИС предназначены как схемы понижения первичного напряжения питания, так и схемы повышения. В первом случае можно использовать стабилизаторы не только непрерывного действия, но и ключевые. Во втором — лишь импульсный тип

преобразования напряжения. Рассмотрим критерии выбора типа стабилизаторов напряжения.

Линейные и импульсные стабилизаторы напряжения Как только определена максимальная мощность и напряжение питания ПЛИС, можно выбрать тип преобразователя. В таблице 1 представлены основные функциональные отличия линейных стабилизаторов напряжения от импульсных.

Рассмотрим характеристики стабилизаторов, рекомендуемых компанией 8еш1есЬ для проектирования источников питания ПЛИС ХШпх. Они представлены в таблицах выбора (таблицы А, Б, В приводятся в конце статьи), разработанных инженерами компании 8еш1есЬ.

Линейные стабилизаторы Компанией 8еш1есЬ производятся два типа устройств: линейные стабилизаторы и контроллеры линейных стабилизаторов (без встроенного проходного транзистора). Линейные стабилизаторы веш1есЬ обладают высокой точностью (от 1 до 3,5%), поставляются в различных корпусах и располагают дополнительными функциями, такими как температурная защита, защита от превышения тока и режим отключения, в котором ИС потребляют около 10 мкА.

Стабилизаторы веш1есЬ выпускаются с фиксированным или регулируемым выходным напряжением на выходной ток до 10 А, для стабилизаторов с ультранизким падением напряжения это напряжение составляет 75 мВ.

Таблица 1. Сравнение линейных и импульсных стабилизаторов напряжения

Параметр Линейный Импульсный

Сложность проектирования низкая от средней до высокой

Напряжение пульсаций на выходе низкое от среднего до высокого

Необходимость в радиаторе да нет

Эффективность низкая высокая

Стабилизационные характеристики отличные от средних до хороших оптимальных

Генерация помех низкая от средней до высокой

Длительность переходных процессов от средней до быстрой от медленной до средней

Предельно допустимый выходной ток от низкого до умеренного от низкого до высокого

Нестабильность напряжения от низкой до высокой от очень низкой до средней

Возможность регулирования напряжения есть есть

Повышение выходного напряжение отсутствует имеется

Стоимость низкая от умеренной до высокой

Уровень шума низкий от среднего до высокого

Наиме- нование Описание У А v мВ ивх, В ивь,х, в V мкА mkB Корпус

SC1453 Стабилизатор со сверхнизким падением напряжения и низким выходным шумом 0,15 0,40 150 2,25-6,5 1,5; 1,8; 2,5 2,7; 2,8; . -3,3 ±2 75 26 SOT-23

SC1454 Сдвоенный стабилизатор с очень низким падением напряжения и выходным шумом, с входами разрешения 0,15 0,40 155 2,25-6,5 1,8; 2,5; 2,8; 3,0; 3,3 ±2 130 27 MSOP-8

SC1457 Стабилизатор со сверхнизким падением напряжения с выходом превышения напряжения 0,15 0,40 150 2,25-6,5 1,5; 1,8; 2,5 2,7; 2,8; . -3,3 ±2 75 110 SOT-23-5

SC5205 Стабилизатор со сверхнизким падением напряжения и низким выходным шумом 0,15 0,30 165 2,5-16 1,8; 2,5; 2,8; 3,0; 3,3; 3,6; 3,8; 4,0; 5,0 ±3 2750 — SOT-23-5

SC553 Стабилизатор со сверхнизким падением напряжения и регулируемым выходом 0,15 0,40 150 2,25-6,5 1,25- 6 adj. ±2 75 — SOT-23-5

SC1563 Стабилизатор со сверхнизким падением напряжения и низким током утечки 0,50 1,0 350 2,2-6,5 1,2—4,8 adj. ±2 85 — MSOP-8, SOT-23-5

SC4211 Стабилизатор с очень малым входным напряжением и малым падением, с входом разрешения 1,0 1,5 250 1,4—5,5 0,5—3,3 adj. ±3 3000 — SOIC-8

SC4215 Стабилизатор с очень малым входным напряжением и малым падением, с входом разрешения 2,0 3,0 500 1,6—5,5 0,8—3,3 adj. ±2 750 — SOIC-8

SC4215A Стабилизатор с очень малым входным напряжением и малым падением, с входом разрешения 2,0 3,0 500 1,4—5,5 0,5—3,3 adj. ±3 50 — SOIC-8

SC4210 Контроллер линейного стабилизатора на полевом транзисторе — — — 4-15 От 0,5 — 2300 — MSOP-8

SC4210A Контроллер линейного стабилизатора на полевом транзисторе — — — 4-15 От 0,5 — 2300 — MSOP-8

Примечание: adj. — регулируемый выход. Таблица отсортирована по возрастанию выходного тока.

Ряд стабилизаторов специфицирован на уменьшение выходного шума, его среднеквадратичное значение составляет 26 мкВ.

Компания Semtech, будучи одной из ведущих компаний в области разработки устройств защиты от электростатических (ESD) и электромагнитных (EMI) помех, производит некоторые стабилизаторы с защитой от ESD, согласно стандарту JEDEC JESD22-A114-B. В таблице 2 приведены основные характеристики линейных стабилизаторов и контроллеров, рекомендованных фирмой Semtech для применения в источниках питания ПЛИС Xilinx.

Импульсные стабилизаторы выпускаются для преобразователей с гальванической развязкой или без гальванической развязки. Серия ИС для импульсных источников питания охватывает все топологии импульсных преобразователей напряжения: понижающая, повышающая, инвертирующая, двухполярный инвертирующий преобразователь Кука (SEPIC). Наиболее распространенной схемой для построения источников питания для микропроцессорной техники является схема понижающего преобразователя с синхронным выпрямлением.

Импульсные стабилизаторы компании Semtech — это высоко интегрированные высокоэффективные микросхемы, работающие на высокой частоте преобразования вплоть до 2,5 МГц, что позволяет значительно снизить размеры индуктивностей и конденсаторов, сэкономив пространство на печатной плате. Кроме стабилизаторов изготавливаются также контроллеры без внутреннего ключевого транзистора. Все контроллеры и стабилизаторы обладают встроенными схемами вольтодобавки для управления затворами ключевых транзисторов.

Большинство ИС стабилизаторов представляют собой сдвоенные схемы, обеспечивающие два выходных напряжения. В этом случае (для снижения выходных пульсаций) на выходах формируются сигналы с разностью фаз 180°. Некоторые ИС (ЗС2441/Л), кроме двух понижающих контроллеров, имеют и повышающий преобразователь. Он может использоваться для питания драйверов МО8БЕТ понижающих преобразователей или как третий отдельный выход.

Стабилизаторы обладают отличными динамическими и переходными характеристиками, обеспечивая ограничения тока в каждом цикле преобразования для защиты от перегрузки по току при коротком замыкании в выходной цепи.

Большинство ИС обладают дополнительными функциями: защита от понижения напряжения с гистерезисом, защита от перегрева и плавный старт. Для сдвоенных стабилизаторов дополнительные функции раздельные.

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Все ИС выполнены в миниатюрных корпусах поверхностного монтажа, что значительно экономит площадь печатной платы и снижает стоимость производства (рис. 2).

Необходимо отметить также уровень технической поддержки, осуществляемой фирмой Semtech. Для большинства ключевых стабилизаторов и контроллеров выпускаются отладочные платы, в спецификациях подробно описан принцип работы и примеры применения, а также приводится топология печатной платы и схемы классического применения ИС. В таблице 3 приведены ИС стабилизаторов и контроллеров, рекомендованных компанией Semtech для построения систем питания ПЛИС Xilinx. Таблица отсортирована по возрастанию выходного тока.

Рост тока при включении питания

Рост тока в момент переходного процесса при включении питания обусловлен особенностями архитектуры ПЛИС, основанной на SRAM-технологии.

Каждый раз при включении питания конфигурационная программа загружается в оперативную память (RAM) из внешней постоянной памяти.

Однако в течение небольшого периода (порядка нескольких мс) — в момент включения питания — оперативная память находится в случайном состоянии и может вызвать скачок тока благодаря случайному конфликтному соединению внутренних блоков ПЛИС. Для большинства других ИС значительного превышения рабочего тока в момент включения не наблюдается.

Рост тока (Iccpo) при включении питания продолжается несколько миллисекунд и происходит между определенными промежуточными уровнями напряжения.

Например, для семейства Spartan переходная характеристика приводится в виде линей-но-нарастающего напряжения между 0,6 и 0,8 В. Во время переходного процесса ПЛИС может рассматриваться как низкоимпеданс-ный элемент с сопротивлением от 0,3 до 6 Ом. Для успешной реализации включения ПЛИС и линейного нарастания напряжения в спецификации к ПЛИС приводится минимальное значение тока (ICCPO min), которое должен обеспечить источник питания. Необходимо учесть, что значение этого тока зависит от температуры кристалла (Tj) ПЛИС. Так, для семейства Spartan-II минимальное значение тока при включении питания (ICCPO min) равно 1,5 A (при температуре Tj = -40 °C для промышленного исполнения), а для коммер-

СОМР :э 1 ‘— -D2 ,Г нюс: SS comp [Г

FB ! 9с: ROSC FB \2_

SHDN :d3 ! ! в с: IN SHDN[3^

GND :i)5 1 -1 бс: SW gndE

(10 Pin — MLPD, 3×3 mm)

(8 Pin MSOP-EDP, 3,8×2,2 mm)

Рис. 2. Корпуса ИС SC4501

Наиме- нование Описание ивх, В I А ‘вых» и.ых, В 1по,р КПД, % fmax, МГц Корпус

SC1462 Схема удвоения напряжения с высоким значением выходного тока на переключаемых конденсаторах 1,65-5,5 0,08 2 ивх 140 мкА 94 0,160 SOT-23-6

SC192 Синхронный понижающий ШИМ-стабилизатор, с интегрированным ключом 2,7-5,5 0,70 0,75-ивх 35 мкА 95 0,750 MLPD-10 (3×3 мм)

SC4502 Повышающий стабилизатор с плавным пуском 1,4-16 0,9 до 32 1,1 мА 90 2,0 MLPD-10 (3×3 мм)

SC194A Синхронный понижающий ШИМ-стабилизатор, с интегрированным ключом, с программируемым выбором выходного напряжения 2,7-5,5 1,0; 1,2; 1,5; 1,8 6 мА 92 1,250 MLPD-10 (3×3 мм)

SC4517A Понижающий стабилизатор 3-16 1,5 Adj. 1 мА — 1,40 MSOP-10

SC4501 Повышающий стабилизатор с плавным пуском 1,4-16 2-32 1,1 мА 90 2,0 MSOP-8 MLPD-10 (3×3 мм)

SC4518 Понижающий стабилизатор 3-16 Adj. 1 мА — 0,60 MSOP-10

SC4519 Понижающий стабилизатор 3-16 Adj. 1 мА — 0,60 SO-8

SC2440 Сдвоенный стабилизатор с интегрированным 2-амперным ключом 2,78-20 0,8-ивх 3,3 мА 88 2,50 TSSOP-16

SC1408 Низковольтный контроллер для повышающего преобразователя или для БЕР1С 1,8-16,5 10 3,3-ивх 110 мкА 87 0,30 SOIC-8

SC4607 Синхронный понижающий контроллер с очень низким значением входного напряжения, с высоким значением КПД 2,25-5,5 20 0,5-ивх 2 мА — 1,0 MSOP-10

SC2442 Высокопроизводительный сдвоенный синхронный понижающий контроллер с широким диапазоном входного напряжения 4,5-30 25 0,75-ивх 8 мА 90 1,0 TSSOP-24

SC4611 Высокопроизводительный синхронный понижающий стабилизатор с широким диапазоном входного напряжения 4,5-30 35 0,5-ивх 4 мА — 1,0 TSSOP-20

SC2441 Двухфазный синхронный понижающий контроллер с повышающим преобразователем, с очень низким входным напряжением 1,8-16 40 0,5-ивх 10 мА — 1,0 TSSOP-28

SC2446 Двухфазный одно- или двухвыходной синхронный понижающий контроллер 4,7-16 60 0,5-ивх 1,7 мА 93 1,0 TSSOP-28

SC4510 Синхронный понижающий контроллер с функцией слежения 2,5-16 — — 8 мА — 1,0 TSSOP-20

Примечание: adj. — регулируемый выход.

Все ИС выполнены в индустриальном диапазоне температур (—40. +85 °С).

ческого исполнения — 0,25 А (при температуре 0 °С).

Таким образом, источник питания во время переходного процесса должен поддерживать ток ICCPO для обеспечения правильной работы ПЛИС.

В процессе конфигурации ПЛИС также наблюдается рост тока на величину порядка 50-100 мА [3].

Верхняя граница тока переходного процесса (ICCPO) определяется предельной мощностью источника питания, поэтому максимальное значение ICCPO в спецификации не приводится. Длительность переходного процесса определяется временем реакции источника питания.

При проектировании источника питания нужно уделить особое внимание, с одной стороны, требованию обеспечения тока ICCPO, а с другой — ограничению тока переходного процесса для того, чтобы он не вызвал срабатывание схемы защиты стабилизатора от перегрузки по току и это не привело к его выключению.

Для линейных стабилизаторов существует номинальный параметр — ток ограничения при коротком замыкании (ILIM или IorP). Во время подачи питания ПЛИС может рассматриваться как нагрузка, стремящаяся обеспечить режим короткого замыкания. Поэтому, выбирая стабилизатор, нужно убедиться, что выполняется условие ILIM > ICCPO.

Для импульсных стабилизаторов компании Semtech существует возможность изме-

нения тока ограничения 1им при проектировании схемы источника питания.

На рис. 3, 4 изображены переходные процессы напряжения и тока для случая роста тока без ограничения (сплошные линии),

а также для случая с ограничением (пунктирная линия). В случае без ограничения рост тока превышает уровень срабатывания схемы защиты от короткого замыкания, в случае использования схем с ограничением по току переходный процесс задерживается на определенное время.

Характер роста напряжения при включении питания и требования ко времени переходного процесса В момент включения питания очень важны продолжительность и монотонность протекания переходного процесса по напряжению питания ядра (без колебаний), особенно когда конфигурация ПЛИС происходит сразу после включения питания.

Монотонность переходного процесса важна, так как любое падение напряжения УССШ-при критическом напряжении сброса (УССЮК) может прервать поток данных, загружаемых из конфигурационной памяти в ПЛИС. На рис. 3 изображен именно монотонный переходный процесс.

Для всех ПЛИС продолжительность протекания переходного процесса по напряжению УСС1Кт не должна превышать 50 мс. Этот параметр для каждого семейства ПЛИС разный. Требования к монотонности переходного процесса и его продолжительности также относятся и к конфигурационному ППЗУ. Нарушение подобных требований при включении питания может привести к неверной конфигурации ПЛИС.

Наличие конфигурационной памяти ПЛИС тоже накладывает требования на рабочие характеристики источника питания. Например, рис. 5 поясняет требования, предъявляемые

Рис. 3. Рост напряжения

Рис. 4. Ограничение тока

Рис. 5. Пояснение ктребованию скорости роста напряжения питания для семейства XC18V00 с конфигурационной постоянной памятью

Рис. 6. Высокочастотный шум и скорость изменения Vccaux

к продолжительности переходного процесса по напряжению для семейства конфигурационной памяти ХС18У00. Данный пример показывает, что минимальная продолжительность переходного процесса больше чем 200 мкс. Заметьте, что ППЗУ и ПЛИС удерживаются в состоянии сброса до тех пор, пока напряжение Уссют не достигнет значения напряжения сброса УССР0^ Когда нужное значение достигнуто, осуществляется задержка для достижения напряжением минимального рабочего значения УССЮтшт. После сигнала системного сброса начинается процесс загрузки ПЛИС. Обратите внимание, что при медленном нарастании Уссют требуется дополнительная задержка для удержания ПЛИС и ПЗУ в состоянии сброса до тех пор, пока напряжение питания не достигнет минимального рабочего значения Уссют тт. Для этого необходимо использовать дополнительную схему слежения за напряжением питания (супервизор).

Если уровень напряжения на входе ПЗУ падает ниже своего минимального порога (УССРС) на время большее, чем Т^т, то ПЗУ перейдет в состояние сброса, пока УСС опять не достигнет уровня УССР0®. Дополнительная информация представлена в специфика-

ции XC18V00 Series of In-System Programmable Configuration PROMs, DS026 (v5.0). Необходимо также отметить, что при падении напряжения VCCINT до уровня ниже своего минимального рабочего значения, оно должно достигнуть меньшего значения, чем 0,1 В перед тем, как снова вернется в нормальное рабочее значение. Следовательно, разрядные резисторы должны обеспечивать быстрое снижение напряжения на шунтирующих конденсаторах.

Шум источника питания

Уровень шума дополнительного напряжения питания VCCAUX весьма важен для некоторых ПЛИС. Уровень пульсаций и шума для VCCAUX должен быть ниже 200 мВ пикового значения, а скорость изменения постоянной составляющей этого напряжения не должна быть выше 10 мВ/мс (рис. 6).

Для снижения уровня высокочастотного шума на каждый вывод питания ПЛИС необходимо ставить шунтирующий конденсатор. Шунтирующий конденсатор для ядра ПЛИС обеспечивает возможность протекания кратковременных переходных токов. В зависимо-

сти от семейства ПЛИС и конкретного его применения, ядро может потребовать амперных выбросов тока длительностью 50 пс. Таким образом, частотный диапазон, покрываемый шунтирующими конденсаторами, должен быть от 1 кГц до 500 МГц (см. источник [1.стр. 23]). Кроме того, частотный диапазон может быть разбит на три поддиапазона: низкий, средний и высокий. Для высокочастотного диапазона необходимо использовать конденсатор с низкой индуктивностью и емкостью от 0,0001 до 0,1 мкФ и помещать его на расстоянии не больше чем 1 см от вывода питания ПЛИС.

Для определения параметров ВЧ конденсатора Хіііпх использует метод «запаса (хранения) средней энергии». Подробно этот метод рассмотрен в [1].

Шунтирующие конденсаторы требуются и для протекания «ключевых» токов блоков ввода-вывода. Общая величина тока системы ввода-вывода определяется числом одновременно коммутируемых выводов (ОКВ или ББО). Максимальное число ОКВ для каждого банка ввода-вывода определено в спецификации конкретной ПЛИС. Процент использования выводов от максимального числа ОКВ определяет количество необходимых шунтирующих конденсаторов [5].

Алгоритм проектирования схемы питания ПЛИС с использованием таблиц выбора

Итак, система питания ПЛИС представляет собой набор стабилизаторов, обеспечивающих необходимые уровни питающих напряжений и токов. Поэтому для начала следует определить степень применения ресурсов ПЛИС, а затем оценить потребляемые токи и используемые уровни напряжений. Далее, исходя из семейства и условий работы ПЛИС, выбирают оптимальное решение для системы питания — тип стабилизатора и конкретную ИС.

Оптимальный выбор стабилизатора легко осуществить с помощью трех таблиц выбора (приводятся в конце статьи), составленных фирмой Semtech для всех производимых семейств ПЛИС фирмы Хіііпх. В таблице А представлены напряжения питания ядра, блоков ввода-вывода и вспомогательные напряжения всех семейств ПЛИС и конфигурационной памяти. Для большинства ПЛИС указан ток потребления в момент подачи питания, максимальный ток потребления блоков ввода-вывода и ток потребления вспомогательными устройствами ПЛИС. Таблица Б предлагает провести выбор стабилизаторов для семейств ПЛИС и памяти. Выбор осуществляется исходя из следующих параметров: напряжение первичного источника питания (Ую), напряжение ядра ПЛИС (Уют) и потребляемый ток. Таблица В предоставляет возможность выбора стабилизатора напряжения блоков ввода-вывода и дополни-

Таблица А. Напряжения питания ядра, линий ввода-вывода и вспомогательные напряжения питания для семейств ХШпх FPGA, CPLD и конфигурационного ПЗУ

Spartan XCSG5.1G. 2G. 3G. 40

Коммер. Ин- 1,2 В 1,5 В 1,8 В 2,5 В 3,0 В 3,3 В

Spartan-XL XCSG5XL. 1GXL. 2GXL. 3GXL. 4GXL

Spartan-II ВC2S15.3G. 5G. 1GG. 15G. 200

XC3S50, 2GG. 4GG. 1GGG. 15GG. 2GGG. 4GGG1 5GGG

5GG мA 1.2 A 2 A

Spartan-ЗЕ XC3S1GGE. 25GE. 5GGE. 12GGE. 16GGE

5GG мA 1.5 A З A

5G мA 6G мA 1GG мA

Spartan-IIE XC2S5GE. 1GGE. 15GE. 2GGE. 3GGE. XC2S4GGE. 6GGE

XC5VLX30. 50. B5. 110. 220. 330

XC4VLX15. 25. 40. 60. B0. 100. 160. 200 XC4VSX25. 35. 55 XC4VFX12. 20. 40. 60. 100. 140

110. 160. 250. 300. 400 500. 700. B50 175.250.400 111.151.244.339. 511.702 мA

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Virtex-II XC2В40, B0. 250. 500. 1000. 1500.2000.3000. XC2В4000, 6000. B000

200 мA 250 мA 1100 мA

Virtex-II Pro XC2ВP2. 4. 7

XC2ВP20, 30. 40. 50

600. B00. 1050, 1250 мA

XC2ВP70. 100, 125

Virtex-E. Virtex-E Ext Mem XCВ50E, 100E. 200E. 300E 400E, 600E 1000E, 1600E. 2000E, 2600E. 3200E

500 мA 500 мA 1.2 A

XCВ50. 100, 150, 200, 300, 400,600,800, 1000

CoolRunner XPLA3 XCR3032XL, 3064XL. 312BXL. 3256XL. 33B4XL. 3512XL 3.3 (7)

CoolRunner-II XC2C32, 64. 128, 256. 384, 512 1.8 100 мA (5. 6. 7) • • • •

XC9500, XC2C32, 64. 128, 256. 384, 512 5.0

XC9500XL, XC9526XL. 9572XL, 95144XL, 95288XL 3.3 •

XC9500XВ, XC9536XВ, 9572XВ, 95144XВ, 95288XВ 2.5 • • •

Конфигурационное ПЗУ V VCC0(4)

max 1,2 B 1,5 В 1,8 В 2,5 В 3,0 В 3,3 В max

XC18V00 XC18V512. 01. 02. 04 3.3 B. 10% 25 мA • 25 мA

XCFXX XCF01S,02S,04S 3.3 B. 10% 20 мA • • • 25 м^6)

XCF08P16P. 32P 1.8 B. 10% 20 мA Нет отдельного напряжения питания Vcco

XC17V00 XC17V01, 02. 04 3.3 B. 10% 15 мA

SC17V05.16 3.3 B. 10% 100 мA

XC1700E, L XC1704L, 02L, 01/L, 512L, 36E. 65E/EL. 128E. EL. 256E. EL 5 B 10 мA

XC17S00 XC17S05, 10. 20. 30. 40 5 B 10 мA

XC17S00XL 05XL, 10XL, 20XL, 30XL, 40XL, 50XL, 100XL, 150XL 3.3 B. 10% 5 мA

XC17S00A 15A, 30A, 50A, 100A, 150A, 200A, 300A 3.3 B. 10% 15 мA

Питание ПЛИС с использованием цифровых блоков питания

Распространение шин ввода напряжения, которые обеспечивают питание в точке нагрузки (POL) для FPGA, сделало проектирование источников питания еще более сложным. В результате модульные блоки питания все чаще используются в телекоммуникациях, облачных вычислениях и промышленном оборудовании, поскольку они работают как автономные системы управления питанием. Они проще в использовании, чем дискретные решения, и ускоряют вывод на рынок как опытных, так и начинающих разработчиков источников питания. Модуль включает в себя все основные компоненты — ШИМ-контроллер, полевые транзисторы, катушки индуктивности и схемы компенсации — только входные и выходные конденсаторы, необходимые для создания всего блока питания.

В этой статье обсуждается генератор эталонных проектов FPGA и пошаговые инструкции по выбору FPGA, необходимых шин питания, объединительной платы и цифровых блоков питания для POL. Мы сосредоточимся на графическом пользовательском интерфейсе (GUI), используемом для настройки, проверки и мониторинга архитектур питания FPGA, и объясним возможности графического интерфейса для задания последовательности включения шин напряжения и выбора последовательности подачи питания, а также времени нарастания и спада.

Мощные программные инструменты

Производители ПЛИС предоставляют различные инструменты для оценки требований к мощности на этапе планирования электропитания. Эти инструменты учитывают выбор оборудования, архитектурную оценку и тепловое моделирование для получения оценочного решения. Например, разработчики блоков питания могут использовать инструмент Xilinx Power Estimator (XPE) на этапах предварительного проектирования и реализации. Затем поставщики систем управления питанием берут результаты XPE и используют эту информацию для предоставления необходимых рекомендаций по выбору компонентов питания.

Поскольку программируемые FPGA являются переменными на этапе планирования, можно установить эмпирические правила для семейств устройств, которые различаются в зависимости от использования FPGA. Низкие, средние и высокие оценки использования могут помочь определить потребность в энергии в этих условиях. В таблице 1 представлены расчетные требования к мощности для низкого, среднего и высокого тока для ПЛИС Virtex 7.

Таблица 1: Требования к питанию для Virtex 7 FPGA.

使用数字电源模块为 FPGA 供电

Используя таблицу 1 в качестве ориентира, мы можем выбирать из различных вариантов, таких как аналоговое дискретное или блочное решение и цифровое дискретное или силовое блочное решение. Такие инструменты, как Генератор эталонных проектов FPGA, упрощают выбор решения для целевого оборудования FPGA. Просто выберите поставщика FPGA, семейство FPGA, текущие требования, требуемую объединительную плату и интересующее решение. Затем инструмент предоставляет все необходимые проектные материалы, связанные с желаемым решением, включая проектную схему, компоновку, спецификацию и блок-схему.

使用数字电源模块为 FPGA 供电

Рис. 1. Генератор эталонных проектов ПЛИС находит подходящее устройство питания Intersil для вашего проекта.

Для высокопроизводительных приложений может потребоваться минимизировать время, затрачиваемое на источник питания, и сосредоточиться на разработке приложения на ПЛИС. В высокопроизводительных системах нет набора кодов FPGA, и код решения FPGA часто меняется. При использовании аналогового решения для питания большая часть вашего времени будет потрачена на перепроектирование катушки индуктивности и пересчет компенсационной схемы для поддержания производительности источника питания. Расчеты, конечно, потребуют времени, и в некоторых случаях это может означать изменение конструкции катушки индуктивности. Кроме того, вам, возможно, придется потратить дополнительное время на перепроектирование печатной платы, если изменится размер корпуса. С некоторыми цифровыми решениями, такими как ISL827xM, вам не нужно переделывать индуктор или пересчитывать схему компенсации;

поставщиков силовых ИС предлагают аналоговые и цифровые решения, включая силовые модули, что дает вам множество вариантов для оценки компромиссов. Например, вы можете выбрать импульсный понижающий стабилизатор ISL850033A для фиксированной шины решения Virtex, а затем использовать цифровой блок питания для поддержки различных вариантов устройств Virtex. В некоторых случаях шины питания питают не только FPGA, но и другие устройства в приложении. В нашем примере мы будем использовать цифровое решение для всех трех шин напряжения. Мы будем использовать цифровой модуль питания ISL8270M25A и цифровой интегрированный понижающий стабилизатор ZL21026A для остальных шин.

Зависит от стратегии запуска и тестирования вашей платы. Программное обеспечение Intersil PowerNavigatorGUI поможет ускорить ввод в эксплуатацию, тестирование и завершение работы оборудования. И ISL8270M, и ZL2102 поставляются с оценочными платами, которые можно соединить вместе, а затем настроить с помощью интерфейса USB-PMBus в соответствии с конкретными требованиями вашего приложения. На рис. 2 инструмент PowerNavigator показан в автономном режиме, что позволяет нам подключить аппаратное обеспечение и выбрать параметры конфигурации. Мы будем использовать эти настройки на этапе запуска для поэтапного тестирования и проверки дизайна.

使用数字电源模块为 FPGA 供电

Рис. 2: Графический интерфейс PowerNavigator упрощает проектирование энергосистем высокой плотности.

Как правильно делать систему питания для плис