Дизајн на ниво на систем и снабдување со FPGA; Вградени алатки за развој; Електроникат
25 октомври 2011 година, во 08:58 часот | од еф Пери
Големиот број потрошувачи во модерните FPGA го прават дизајнот на напојувањата за овие компоненти соодветно сложен. Не е доволно едноставно да се обезбеди потребната јачина на напон и струја, бидејќи секој потрошувач може да има индивидуални барања во врска со бранување на напон, филтрирање на пречки, одвојување на напон на напојување и својства на мек старт. Програмерите често мора да направат компромис; Специјализирани алатки помагаат при мерење на тежина.
Големата побарувачка на енергија од потрошувачите честопати бара употреба на регулатори за вклучување DC/DC, при што нарушувањата и бранот на напонот треба да се држат под контрола. Покрај тоа, архитектурата на напојувањето може да биде дизајнирана така што еден или повеќе средни напони се вметнуваат помеѓу влезниот напон и регулаторите на точката на оптоварување (PoL).
Одлуката за усвојување на такво решение може да има последици врз ефикасноста, стапалото и цената на целокупниот дизајн на напојувањето. Освен тоа, индивидуалните напојувања може да се оптимизираат со цел да се имплементираат спецификациите за дизајн на повисоко ниво. Алатката за дизајн на Интернет „Webench FPGA Power Architect“ од Националниот полупроводник може да биде корисна при проценка на различни пристапи.
На почетокот на дизајнот, мора да се утврди кои барања ги поставува соодветната FPGA на напојувањето. Оваа задача може да биде с but освен лесна, бидејќи релевантните податоци може да се најдат во голем број листови со податоци и други документи. Во Табела 1 резимирајте ги важните спецификации за напојување на FPGA.
| електрична енергија | Проценка на моќност, Табеларни пресметки, Симулатор на моќност | Димензии, ефикасност, производство на топлина и трошоци на единицата за напојување | Одредување на фреквенцијата на префрлување, оптимизација на компонентите |
| напнатост | FPGA лист со податоци, опис на pinout | Вредности и толеранција на компонентите, бранување на еднонасочна струја, минливост на наизменична струја, пречекорување и потиснување | Компоненти со тесна толеранција, излезни кондензатори со низок ESR, критично пригушена контролна јамка, симулација на систем |
| Нарушувања | FPGA лист со податоци, белешки и фусноти | Дефекти на префрлување, вкрстена регулација помеѓу потрошувачите | Префрлување мрежи за олеснување, филтри за мешање, одделни напојувања |
| Секвенционирање, почетни својства | FPGA лист со податоци, белешки и фусноти | Ефекти од прицврстување, струја на влегување | Мек почеток, секвенционирање IC |
Со цел да се утврдат побарувањата за напојување на секој потрошувач, повеќето производители на FPGA обезбедуваат таканаречени „Табеларни пресметки за напојување“ со кои може да се пресметаат потрошувачката на енергија и струјата на оптоварување во зависност од користените ресурси во FPGA. Можете исто така да ги користите пософистицираните симулатори од производителите на FPGA. За да бидете на безбедна страна, треба да се додаде доплата од приближно 25% на струите на оптоварување проценети на овој начин.
Друго барање е спецификацијата на напонот на потрошувачот, која првично може да се ограничи на спецификацијата на минималниот и максималниот напон во листот со податоци на FPGA. Сепак, голем број други фактори се релевантни за дизајнот на напојувањето, како што се неутрализирања поради мрежата на отпорник на повратни информации во напојувањето, толеранции на отпор и толеранција на референцата за повратни информации во контролорот.
Треба да се земе предвид и бранувањето на регулаторот за префрлување, при што е важно да се направи разлика помеѓу статичното или еднонасочно бранување и краткорочните подстрели и надминувања. Покрај тоа, може да бидат присутни пречки на префрлување со висока фреквенција (10 MHz или повеќе).
Сл. 1: Кривите ја прикажуваат реакцијата на напојувањето во режим на вклучено симулирано од Webench FPGA Power Architect
Слика 1 покажува скок на оптоварување симулиран од Webench FPGA Power Architect. Може да се забележи поместување на Vout, статичкото бранување и престигнувањето и потфрлањето. Во случај на чувствителни потрошувачи, како што се функциите на PLL (фаза-заклучена јамка), може да биде потребен посебен филтер за да се намали бранувањето. Исто така, мора да се одлучи дали неколку потрошувачи можат да бидат поврзани заедно со едно напојување, што би ги намалило трошоците или дали се претпочита посебно напојување (на пример, за потрошувачи чувствителни на пречки).
Мекиот почеток е погоден за цели на секвенционирање за да се осигури дека еден напон на напојувањето е активиран по другиот и дека нема ефекти на заклучување. Може да се користи и за ограничување на струјата на влегување и за обезбедување монотоно зголемување на напонот. Дизајнерските алатки, како што е Power Architect, ги прават потребните информации централно достапни веднаш штом корисникот се одлучи за одредена FPGA.
Архитектури за напојување
Откако ќе бидат утврдени барањата за напојување, мора да се избере архитектурата за напојување. Може да биде поволно да се обезбеди еден или повеќе средни напони помеѓу DC напонот од влезната страна и регулаторите PoL. Една од причините за ова е што во овој случај ви треба само еден регулатор со компоненти за високи напони, кои имаат тенденција да бидат поскапи и зафаќаат повеќе простор. Покрај тоа, асинхроните конвертори на buck со висококвалитетен високо-страничен MOSFET обично работат поефикасно на повисоки циклуси.
Употребата на дополнителен среден регулатор за намалување на влезниот напон може да ја подобри целокупната ефикасност.
Слика 2: Овој дијаграм генериран од Webench FPGA Power Architect ја илустрира ефикасноста, побарувањата за простор и трошоците на компонентите на различните архитектури за напојување
слика 2 споредува различни конфигурации на среден напон во однос на ефикасноста и побарувањата за простор со непроменет влезен напон и излезна моќност. Варијантата целосно без среден напон управува со најмалку контролери, но бара најмногу простор и постигнува најниска ефикасност.
Најголема ефикасност и најмали димензии нуди дизајнот со два среден напон од 12 V и 5 V, кои се наоѓаат во близина на PoL напоните. Откако ја разгледавме архитектурата на системот, сега се поставува прашање како индивидуалните дизајни на конверторот за вклучување можат да се оптимизираат, желбите да се исполнат со ниски барања за простор, висока ефикасност и ниска цена.
Фреквенцијата на префрлување е многу одлучувачки фактор тука. Високите фреквенции на вклучување овозможуваат да се користи помал задушувач бидејќи вклучените интервали на прекинувачот се пократки.
Последицата е помал отпечаток. Од друга страна, загубите на преклопување се зголемуваат на високи фреквенции, што е на штета на ефикасноста.
Трошоците имаат тенденција да бидат пониски при повисоки фреквенции на вклучување, бидејќи помалите компоненти обично се поевтини. Спротивно на тоа, ниската фреквенција на преклопување ги намалува загубите на преклопување, така што ефикасноста се зголемува. Со цел да се спречи преголемото зголемување на вклучените струи, тогаш е потребен поголем задави, што соодветно ја зголемува основната површина.
Поголемиот задави исто така може да ја зголеми цената. Оптимизирање на индивидуалните напојувања со цел целокупната поставена цел нуди можност за широко модулирање на целиот систем за напојување FPGA. Ефикасноста на системот е помеѓу 84% и 94%, а просторот бара помеѓу 1,4 cm2 и 6,4 cm2. Цената се движи од 14,08 до 31,53 УСД.
За авторот:
Еф Пери е постар менаџер WEBENCH тим во Националниот полупроводник.