Energiagazdálkodás FPGA-khoz

Sok technikai vita folyt egy jó energiagazdálkodási megoldás megtervezésével kapcsolatban egy FPGA-alkalmazáshoz, mivel ez nem egy triviális feladat. Ennek a feladatnak az egyik aspektusa a megfelelő megoldás megtalálása és a legmegfelelőbb energiagazdálkodási termék kiválasztása, a másik pedig az, hogy hogyan optimalizáljuk a tényleges megoldást az FPGA-kkal való használatra. A megfelelő tápegység-megoldás megtalálása Nem egyszerű megtalálni a lehető legjobb megoldást az FPGA-k táplálására. Sok gyártó bizonyos termékeket FPGA-k táplálására alkalmasként forgalmaz. Mitől jellemző az FPGA-k táplálására szolgáló dc-dc konverterek kiválasztása? Nem sok. Általában az összes teljesítményátalakító használható FPGA-k táplálására. Az egyes termékekre vonatkozó ajánlások általában azon a tényen alapulnak, hogy sok FPGA-alkalmazás több feszültségsínt igényel, például az FPGA maghoz, az I/O-khoz, és esetleg egy további sínt a DDR-memória lezárásához. Gyakran előnyben részesítik a PMIC-eket (energiagazdálkodási integrált áramkörök), ahol több egyenáram-egyenáram átalakító egyetlen szabályozó chipbe van integrálva. Az egyik népszerű módja annak, hogy jó megoldást találjunk egy adott FPGA tápellátására, a már meglévő energiagazdálkodási referenciatervek használata, amelyeket sok FPGA-gyártó kínál. Ez jó kiindulópont az optimalizált tervezéshez. Az ilyen konstrukciók módosítása azonban gyakran szükséges, mivel az FPGA-val rendelkező rendszer általában további feszültségsíneket és terheléseket igényel, amelyeket szintén meg kell táplálni. Gyakran szükség van a referenciaterv kiegészítésére is. Egy másik dolog, amit figyelembe kell venni, hogy az FPGA-k bemeneti teljesítménye nem rögzített. A bemeneti feszültség nagymértékben függ a tényleges logikai szintektől és az FPGA által megvalósított tervezéstől. Az energiagazdálkodási referenciaterv módosításának befejezése után az eltér a referenciaterv eredeti javaslatától. Lehet vitatkozni amellett, hogy a legjobb megoldás az, ha nem is vesződünk az energiagazdálkodási referenciatervekkel, hanem egyenesen beírjuk a szükséges feszültségsíneket és áramokat egy energiagazdálkodási kiválasztási és optimalizálási eszközbe, például az Analog Devices LTpowerCAD-jába. Ábra 1. LTpowerCAD eszköz a megfelelő dc-dc konverterek kiválasztásához az FPGA-k táplálásához. Az LTpowerCAD segítségével áramellátási megoldást találhatunk az egyes feszültségsínekhez. Referenciatervek gyűjteményét is kínálja, jó kiindulási alapot biztosítva a tervezőknek. Az LTpowerCAD ingyenesen letölthető az Analog Devices webhelyről. A teljesítményarchitektúra és az egyedi feszültségátalakítók kiválasztása után ki kell választanunk a megfelelő passzív alkatrészeket és meg kell terveznünk a tápegységet. Ennek során szem előtt kell tartanunk az FPGA-k speciális terhelési követelményeit. Ezek a következők: Egyedi áramigények Feszültségsín-sorrendezés A feszültségsínek monoton emelkedése Gyors teljesítménytranziensek Feszültségpontosság Egyéni áramigények Bármely FPGA tényleges áramfelvétele nagymértékben függ a használati esettől. A különböző órajelek és az eltérő FPGA-tartalom eltérő mennyiségű energiát igényel. Emiatt a tipikus FPGA-tervezés végső tápegység-specifikációja az FPGA-rendszer tervezési folyamata során változni fog. Az FPGA gyártók teljesítménybecslési eszközöket kínálnak, amelyek segítenek kiszámítani, hogy a megoldásnak milyen teljesítményszintre lesz szüksége. Ez az információ nagyon hasznos, ha birtokában van a tényleges hardver építése előtt. Ennek ellenére az FPGA tervezésének véglegesnek vagy legalábbis közel kell lennie ahhoz, hogy értelmes eredményeket kapjunk az ilyen teljesítménybecslőkkel. A mérnökök gyakran a maximális FPGA-áram figyelembevételével tervezik a tápegységet. Aztán, ha kiderül, hogy a tényleges FPGA-tervezés kevesebb energiát igényel, lekicsinyítik a tápegységet. Feszültségsín-sorrend Sok FPGA-hoz különböző tápfeszültség-sínekre van szükség, hogy meghatározott sorrendben jelenjenek meg. Gyakran előfordul, hogy a magfeszültséget biztosítani kell, mielőtt az I/O feszültség fellép. Ellenkező esetben néhány FPGA megsérül. Ennek elkerülése érdekében a tápegységet a megfelelő sorrendben kell beállítani. Az egyszerű felfelé szekvenálás könnyen elvégezhető a szabványos dc-dc átalakítók engedélyező érintkezőinek használatával. Általában azonban szükség van szabályozott lefelé szekvenálásra is. Nehéz jó eredményt elérni, ha csak az engedélyezési tűszekvenálást hajtják végre. Jobb megoldás a fejlett integrált szekvenálási funkciókkal rendelkező PMIC használata, például az ADP5014. A 2. ábrán piros színnel jelöljük azt a speciális áramköri blokkot, amely lehetővé teszi az állítható fel és fordított sorrendű le-szekvenciát. Ábra 2. ADP5014 PMIC integrált támogatással a rugalmas fel és le szekvenáláshoz. A 3. ábra az eszközzel végzett szekvenálást mutatja. A fel és le szekvenálás késleltetése könnyen beállítható az ADP5014 késleltetési (DL) érintkezőivel. Egyedi tápegységek használata esetén egy további szekvenáló chip gondoskodhat a szükséges be- és kikapcsolási sorrendről. Példa erre az LTC2924, amely vagy az egyenáram-egyenáram átalakítók engedélyező érintkezőit vezérelheti a tápegységek be- és kikapcsolásához, vagy magas oldali N csatornás MOSFET-eket hajthat meg, hogy egy FPGA-t egy bizonyos feszültségsínhez rögzítsen és leválasztson. Ábra 3. Több FPGA tápfeszültség indítási és leállítási sorrendje. A feszültségsínek monoton emelkedése A feszültségsorrend mellett a feszültségek monoton emelkedése is szükséges lehet az indítás során. Ez azt jelenti, hogy a feszültség csak lineárisan emelkedik, amint azt az A feszültség mutatja a 4. ábrán. A B feszültség ezen az ábrán egy olyan példát mutat be, amikor a feszültség nem emelkedik monoton módon. Ez akkor fordulhat elő, ha a terhelés nagy áramot kezd húzni egy bizonyos feszültségszinten az indítás során. Ennek elkerülésének egyik módja az, ha engedélyezzük a tápegység hosszabb lágyindítását, és olyan teljesítmény-átalakítókat választunk, amelyek gyorsan képesek nagy mennyiségű áramot szolgáltatni. Ábra 4. Az A feszültség monoton emelkedik, míg a B feszültség nem emelkedik monoton. Gyors teljesítménytranziensek Az FPGA másik jellemzője, hogy az FPGA-k nagyon gyorsan elkezdenek nagy áramot felvenni. Nagy terhelési tranzienseket okoznak a tápegységen. Emiatt sok FPGA kiterjedt bemeneti feszültség-lekapcsolást igényel. A kerámia kondenzátorok nagyon szorosan vannak elhelyezve a készülék VCORE és GND érintkezői között. Az 1 mF-ig terjedő értékek meglehetősen gyakoriak. Az ilyen nagy kapacitás segít csökkenteni a tápegységek iránti igényt, hogy nagyon magas csúcsáramokat biztosítsanak. Sok kapcsolószabályzó és LDO azonban rendelkezik maximális kimeneti kapacitással. Az FPGA bemeneti kapacitásigénye meghaladhatja a tápegység maximálisan megengedett kimeneti kapacitását. A tápegységek nem szeretik a hatalmas kimeneti kondenzátorokat, mivel indításkor ez a kondenzátortelep rövidzárlatnak tűnik a kapcsolószabályozó kimenetén. Van megoldás erre a problémára. A hosszú lágyindítási idő lehetővé teszi, hogy a nagy kondenzátortelep feszültsége megbízhatóan emelkedjen anélkül, hogy a tápegység rövidzárlati áramkorlátozási módba kerülne. Ábra 5. Számos FPGA bemeneti kondenzátorigénye. Egy másik ok, amiért egyes teljesítményátalakítók nem szeretik a túlzott kimeneti kapacitást, az az, hogy ez a kapacitásérték a szabályozási hurok részévé válik. Az integrált hurokkompenzációval rendelkező átalakítók nem teszik lehetővé a túlzott kimeneti kapacitást, hogy megakadályozzák a szabályozó hurok instabilitását. Gyakran vannak módok a vezérlőhurok befolyásolására a felső oldali visszacsatoló ellenálláson keresztüli előrecsatolási kapacitás használatával, amint az a 6. ábrán látható. Ábra 6. Előrecsatolt kondenzátor, amely lehetővé teszi a vezérlőhurok beállítását, ha nem áll rendelkezésre hurokkompenzációs tű. A tápegység terhelési tranziens és indítási viselkedése esetén az LTpowerCAD-et és különösen az LTspice-t tartalmazó fejlesztői eszközlánc nagyon hasznos. A modellezésre és szimulációra jól használható hatás az FPGA nagy bemeneti kondenzátorainak leválasztása a tápegység kimeneti kondenzátorairól. A 6. ábra ezt a koncepciót mutatja be. Míg a POL (point-of-load) tápegység általában a terhelés közelében helyezkedik el, gyakran van némi PCB nyom a tápegység és az FPGA bemeneti kondenzátor között. Ha több FPGA bemeneti kondenzátor van egymás mellett a táblán, akkor a tápegységtől legtávolabb lévők kisebb hatást gyakorolnak a tápegységek átviteli funkciójára, mivel van köztük némi ellenállás, de parazita nyominduktivitás is. . Ezek a parazita kártyainduktivitások lehetővé teszik, hogy az FPGA bemeneti kapacitása nagyobb legyen, mint a tápegység kimeneti kapacitásának maximális határértéke, még akkor is, ha az összes kondenzátor ugyanahhoz a csomóponthoz van csatlakoztatva a kártyán. Az LTspice-ben parazita nyominduktivitások hozzáadhatók a kapcsolási rajzhoz, és az ilyen hatások modellezhetők. A szimulációs eredmények közel állnak a valósághoz, ha megfelelő parazita komponenseket is beépítenek az áramköri modellezésbe. Ábra 7. Parazita szétkapcsolás a tápegység kimeneti kondenzátorai és az FPGA bemeneti kondenzátorok között. Feszültségpontosság Az FPGA tápegység feszültségpontosságának általában elég nagynak kell lennie. A mindössze 3%-os eltéréstűrési sáv meglehetősen gyakori. Például egy Stratix V magsín 0.85 V-on tartásához 3%-os feszültségpontossági ablakon belül mindössze 25.5 mV-os teljes tűréssávra van szükség. Ez a kis ablak tartalmazza a feszültségváltozásokat a terhelési tranziensek után, valamint az egyenáram pontosságát. Az LTpowerCAD-et és az LTspice-t is magában foglaló, rendelkezésre álló áramellátási eszközlánc elengedhetetlen az energiatervezési folyamatban az ilyen szigorú követelményekhez. Egy utolsó tanács az FPGA bemeneti kondenzátorok kiválasztásával kapcsolatban. A nagy áramok gyors leadásához általában kerámia kondenzátorokat választanak. Jól működnek erre a célra, de úgy kell megválasztani őket, hogy a valódi kapacitásértékük ne csökkenjen az egyenáramú előfeszültséggel.

Hagyjon üzenetet 

Üzenetlista