Gestione dell'alimentazione per FPGA

Ci sono state molte discussioni tecniche sulla progettazione di una buona soluzione di gestione dell'alimentazione per un'applicazione FPGA, poiché non è un compito banale. Un aspetto di questo compito consiste nel trovare la soluzione giusta e selezionare il prodotto di gestione dell'alimentazione più adatto, mentre un altro è come ottimizzare la soluzione effettiva per l'uso con gli FPGA. Trovare la giusta soluzione di alimentazione Trovare la migliore soluzione possibile per alimentare gli FPGA non è semplice. Molti fornitori commercializzano determinati prodotti come adatti ad alimentare gli FPGA. Cosa rende la selezione di convertitori da cc a cc specifica per l'alimentazione di FPGA? Non tanto. In genere, tutti i convertitori di potenza possono essere utilizzati per alimentare gli FPGA. Le raccomandazioni per alcuni prodotti si basano solitamente sul fatto che molte applicazioni FPGA richiedono più linee di tensione, come per il core FPGA, gli I/O e possibilmente una linea aggiuntiva per la terminazione della memoria DDR. Spesso si preferiscono i PMIC (circuiti integrati per la gestione dell'alimentazione), in cui più convertitori da cc a cc sono tutti integrati in un unico chip regolatore. Un modo popolare per trovare una buona soluzione per alimentare un FPGA specifico consiste nell'utilizzare progetti di riferimento per la gestione dell'alimentazione preesistenti, offerti da molti fornitori di FPGA. Questo è un buon punto di partenza per un design ottimizzato. Tuttavia, sono spesso necessarie modifiche a tali progetti, poiché un sistema con un FPGA di solito richiede binari di tensione aggiuntivi e carichi che devono essere alimentati. Spesso sono necessarie anche aggiunte al progetto di riferimento. Un'altra cosa da considerare è che la potenza in ingresso degli FPGA non è fissa. La tensione di ingresso dipende fortemente dai livelli logici effettivi e dal design che l'FPGA sta implementando. Dopo aver completato la modifica al progetto di riferimento per la gestione dell'alimentazione, avrà un aspetto diverso dal suggerimento originale del progetto di riferimento. Si può sostenere che la soluzione migliore è non preoccuparsi nemmeno di un progetto di riferimento per la gestione dell'alimentazione, ma inserire le linee di tensione e le correnti richieste direttamente in uno strumento di selezione e ottimizzazione della gestione dell'alimentazione come LTpowerCAD di Analog Devices. Immagine 1. Strumento LTpowerCAD per selezionare i convertitori dc-dc giusti per alimentare gli FPGA. LTpowerCAD può essere utilizzato per trovare una soluzione di alimentazione per le singole linee di tensione. Offre anche una raccolta di progetti di riferimento, fornendo ai progettisti un buon punto di partenza. LTpowerCAD può essere scaricato gratuitamente dal sito Web di Analog Devices. Dopo aver selezionato un'architettura di alimentazione e singoli convertitori di tensione, dobbiamo scegliere i componenti passivi adatti e progettare l'alimentatore. Quando si esegue questa operazione, è necessario tenere a mente i requisiti di carico speciali degli FPGA. Questi sono: Requisiti di corrente individuali Sequenza delle linee di tensione Aumento monotono delle linee di tensione Transitori di potenza veloci Precisione della tensione Requisiti di corrente individuali L'effettivo consumo di corrente di qualsiasi FPGA dipende fortemente dal caso d'uso. Un diverso clock e diversi contenuti FPGA richiedono diverse quantità di energia. Per questo motivo, la specifica dell'alimentatore finale per un tipico design FPGA è destinata a cambiare durante il processo di progettazione del sistema FPGA. I produttori di FPGA forniscono strumenti di stima della potenza che aiutano a calcolare il tipo di livello di potenza di cui la soluzione avrà bisogno. Queste informazioni sono molto utili da avere prima che venga costruito l'hardware effettivo. Tuttavia, il design dell'FPGA deve essere definitivo, o almeno vicino alla finale, per ottenere risultati significativi con tali stimatori di potenza. Spesso gli ingegneri progettano l'alimentatore tenendo presente la massima corrente FPGA. Quindi, se si scopre che l'effettivo progetto FPGA richiede meno energia, ridimensionano l'alimentazione. Sequenza delle linee di tensione Molti FPGA richiedono diverse linee di tensione di alimentazione per arrivare in una sequenza specifica. Spesso la tensione del core deve essere fornita prima che le tensioni di I/O salgano. In caso contrario, alcuni FPGA verranno danneggiati. Per evitare ciò, l'alimentazione deve essere sequenziata nell'ordine corretto. Il semplice up-sequencing può essere facilmente eseguito utilizzando i pin di abilitazione sui convertitori standard da cc a cc. Tuttavia, di solito è richiesto anche il down-sequencing controllato. È difficile ottenere un buon risultato quando viene eseguita solo l'attivazione della sequenza dei pin. Una soluzione migliore consiste nell'utilizzare un PMIC con funzioni di sequenziamento integrate avanzate, come l'ADP5014. Lo speciale blocco circuitale che consente la sequenza di sequenza crescente e inversa regolabile è indicato in rosso nella Figura 2. Immagine 2. ADP5014 PMIC con supporto integrato per up-sequencing flessibile e down-sequencing. La Figura 3 mostra il sequenziamento eseguito con questo dispositivo. Il ritardo di tempo per il sequenziamento su e giù può essere facilmente regolato con i pin di ritardo (DL) sull'ADP5014. Se vengono utilizzati singoli alimentatori, un chip di sequenziamento aggiuntivo può occuparsi del sequenziamento on/off richiesto. Un esempio è l'LTC2924, che può controllare i pin di abilitazione dei convertitori da cc a cc per accendere e spegnere gli alimentatori o può pilotare MOSFET a canale N high-side per collegare e scollegare un FPGA a una determinata linea di tensione. Immagine 3. Sequenza di avvio e arresto di più tensioni di alimentazione FPGA. Aumento monotono delle linee di tensione Oltre alla sequenza di tensione, può essere necessario anche un aumento monotono delle tensioni durante l'avvio. Ciò significa che una tensione aumenterà solo linearmente, come mostrato dalla tensione A nella Figura 4. La tensione B in questo grafico mostra un esempio di una tensione che non aumenta in modo monotono. Questo può accadere quando il carico inizia a tirare grandi correnti a un certo livello di tensione durante l'avvio. Un modo per evitare ciò è consentire un avvio graduale più lungo dell'alimentatore e scegliere convertitori di potenza in grado di fornire rapidamente elevate quantità di corrente. Immagine 4. La tensione A aumenta in modo monotono, con la tensione B che non aumenta in modo monotono. Transitori di potenza veloci Un'altra caratteristica degli FPGA è che gli FPGA iniziano a generare correnti elevate molto rapidamente. Provocano transitori di carico elevato sull'alimentatore. Per questo motivo, molti FPGA richiedono un ampio disaccoppiamento della tensione di ingresso. I condensatori ceramici vengono utilizzati molto strettamente tra il VCORE e i pin GND del dispositivo. I valori fino a 1 mF sono abbastanza comuni. Una capacità così elevata aiuta a ridurre la richiesta sugli alimentatori di fornire correnti di picco molto elevate. Tuttavia, molti regolatori di commutazione e LDO hanno una capacità di uscita massima specificata. Il requisito di capacità di ingresso dell'FPGA può superare la capacità di uscita massima consentita dell'alimentatore. Gli alimentatori non amano i grandi condensatori di uscita poiché, durante l'avvio, questo banco di condensatori sembra un cortocircuito sull'uscita del regolatore di commutazione. C'è una soluzione per questo problema. Un lungo tempo di avvio graduale può consentire alla tensione sul banco di condensatori di grandi dimensioni di salire in modo affidabile senza che l'alimentatore entri in modalità limite di corrente di cortocircuito. Immagine 5. Requisiti del condensatore di ingresso di molti FPGA. Un altro motivo per cui ad alcuni convertitori di potenza non piace l'eccessiva capacità di uscita è che questo valore di capacità diventa parte dell'anello di regolazione. I convertitori con compensazione dell'anello integrata non consentono una capacità di uscita eccessiva per prevenire l'instabilità dell'anello del regolatore. Spesso ci sono modi per influenzare il circuito di controllo utilizzando la capacità feedforward attraverso il resistore di retroazione high-side, come mostrato nella Figura 6. Immagine 6. Condensatore di feed forward per consentire la regolazione dell'anello di controllo quando non è disponibile alcun pin di compensazione dell'anello. Per il transitorio di carico e il comportamento all'avvio di un alimentatore, la catena di strumenti di sviluppo che include LTpowerCAD e soprattutto LTspice è molto utile. Un effetto che si presta bene alla modellazione e alla simulazione è il disaccoppiamento dei grandi condensatori di ingresso dell'FPGA dai condensatori di uscita dell'alimentatore. La figura 6 mostra questo concetto. Mentre l'alimentatore POL (punto di carico) tende ad essere posizionato vicino al carico, spesso c'è qualche traccia PCB tra l'alimentatore e il condensatore di ingresso FPGA. Quando ci sono più condensatori di ingresso FPGA uno accanto all'altro sulla scheda, quelli che sono più lontani dall'alimentatore avranno un effetto minore sulla funzione di trasferimento degli alimentatori, poiché c'è una certa resistenza ma anche un'induttanza di traccia parassita tra di loro . Queste induttanze parassite della scheda possono consentire che la capacità di ingresso di un FPGA sia maggiore del limite massimo della capacità di uscita dell'alimentatore, anche se tutti i condensatori sono collegati allo stesso nodo sulla scheda. In LTspice, le induttanze di tracce parassite possono essere aggiunte allo schema e tali effetti possono essere modellati. I risultati della simulazione sono vicini alla realtà quando componenti parassiti adeguati sono inclusi nella modellazione del circuito. Immagine 7. Disaccoppiamento parassita tra i condensatori di uscita dell'alimentatore e i condensatori di ingresso dell'FPGA. Precisione della tensione La precisione della tensione di un alimentatore FPGA di solito deve essere piuttosto elevata. Una fascia di tolleranza di variazione di solo il 3% è abbastanza comune. Ad esempio, il mantenimento di un core rail Stratix V a 0.85 V all'interno di una finestra di precisione della tensione del 3% richiede una banda di tolleranza completa di soli 25.5 mV. Questa piccola finestra include la variazione di tensione dopo i transitori di carico, nonché la precisione in cc. Ancora una volta, la catena di strumenti di alimentazione disponibile, inclusi LTpowerCAD e LTspice, è essenziale nel processo di progettazione dell'alimentazione per requisiti così rigorosi. Un ultimo consiglio riguarda la scelta dei condensatori di ingresso FPGA. Per consentire loro di fornire rapidamente grandi correnti, di solito vengono scelti condensatori ceramici. Funzionano bene per questo scopo, ma devono essere selezionati in modo che il loro vero valore di capacità non scenda con la tensione di polarizzazione cc.

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