Основите на изграждането на FPGA енергийни системи

Програмируемите логически схеми поставят специални изисквания към дизайна на захранващите устройства. Статията разглежда конструктивните характеристики на Xilinx FPGA захранвания, използващи Semtech power IC.

Програмируемите логически интегрални схеми (FPGA), както FPGA, така и CPLD, се използват все повече в различни области и решават различни проблеми - от проста логика до цифрова обработка на сигнала и следователно те изискват различни нива на мощност, за да ги захранват. Като цяло мощността, необходима за захранване на FPGA, се определя от следните фактори: вида на FPGA, работната му честота, околната температура, броя на включените I/O линии и, разбира се, процента на използваните ресурси на FPGA.

Като цяло проектирането на FPGA захранване е инженерно предизвикателство. Всеки разработчик на FPGA публикува съответната документация за изграждането на силови вериги за своите устройства. За да опрости този процес, Xilinx разработи специален софтуерен инструмент за оценка на консумацията на енергия на FPGA - Xilinx Power Estimator [1].

Статията разглежда подробно проблемите на дизайна на FPGA енергийните системи.

Компонентите Semtech се разглеждат като елементна база за изграждане на енергийни системи. За тези цели компанията произвежда широка гама от интегрални схеми (ИС) с уникални характеристики, както линейни, така и импулсни. По този начин, използвайки само стабилизатори Semtech, е възможно напълно да се реши проблемът с захранването на всяка FPGA-базирана система.

Уникални изисквания за FPGA захранване

Основната функция на FPGA системата за управление на захранването е ясна: да осигури на FPGA и свързаните с него вериги стабилизирано напрежение във всички режими на работа в рамките на точно определени граници на промяна на натоварването. Но като правило това не е толкова лесно да се постигне, тъй като трябва да се вземат предвид следните фактори: промени в околната температура и ток на натоварване, колебания във входното напрежение. Освен това FPGA се различават значително по консумация на енергия от другите интегрални схеми.

FPGA реализира неограничен брой различни конфигурации на веригата, работещи на различни тактови честоти и следователно консумиращи различна мощност. И тъй като първоначалните данни за проектирането на FPGA захранващата система са консумацията на енергия, разработчикът трябва да има най-ясната представа за проектираната система и условията за нейната работа. За да направите това, трябва да определите:

Тактова честота на FPGA (консумацията на енергия е пропорционална на честотата);
броят на включените ресурси на FPGA;
скоростта на трансфер на данни, извършена от FPGA;
наличие на конфигурируема памет само за четене (EPROM);
броя на необходимите захранващи напрежения и отделни захранвания;
Диапазон на работната температура.

В допълнение, за да изгради оптимална FPGA система за захранване, разработчикът трябва правилно да проектира топологията на печатните платки и заземяването на цялата система. Като цяло, дадена енергийна система трябва да отговаря на следните изисквания, които са обсъдени в примерите за FPGA приложение [4–9]:

осигуряват значителен ток (1–2 A) при включване,
осигурете монотонността на преходния процес в захранващото напрежение,
времето на преходния процес до номиналната стойност на напрежението не трябва да надвишава определена стойност, посочена в спецификацията за конкретно семейство FPGA, в зависимост от вида на семейството FPGA, е необходимо да се осигури определена последователност на захранващите напрежения;

минимизиране на високочестотния шум, неизбежен в цифровите високоскоростни вериги.

Това изисква:

отделни релси за доставка за различни основни потребители,
инсталиране на достатъчен брой шунтиращи кондензатори,
правилно оформление на печатни платки.

Фигура: 1. Блок-схема на FPGA захранващата система

По принцип блок-схемата на FPGA захранващата система (фиг. 1) се състои от първично захранване, което генерира входно напрежение (Vin) за стабилизатора на напрежението, схема, която задава последователността за подаване на различни напрежения и, ако е необходимо, верига за наблюдение на нивото на напрежение (надзорник). Трябва да се отбележи особено, че един от ключовите компоненти на FPGA захранващата система е байпасната кондензаторна верига около FPGA. Те позволяват разпределението на работния ток между потребителите, използвайки ниски импедансни токови пътища, като по този начин намалява високочестотния шум. Освен това е важно и правилното оформление на печатната платка, особено земните площи.

FPGA нива на захранващо напрежение

За захранване на различни функционални блокове на FPGA се използват различни нива на напрежение. За осигуряване на едно ниво на напрежение е необходимо едно вторично захранване.

Всички FPGA изискват основно захранващо напрежение, но най-сложните FPGA също се нуждаят от отделно захранващо напрежение за I/O блокове, референтно напрежение, източник на напрежение за терминални резистори и източник на напрежение за допълнителни функции. Нека разгледаме по-отблизо видовете захранващо напрежение, необходимо за Xilinx FPGA:

VCCINT. Напрежение на външната сърцевина. Това е основното захранващо напрежение на FPGA и като правило осигурява по-голямата част от мощността, изразходвана в FPGA. Основното напрежение на източника зависи от семейството FPGA. Обхватът на основните захранващи напрежения включва: 1.2; 1,5; 1,8; 2,5; 3.3 и 5.0 V. Напрежението на сърцевината може да се използва и за захранване на конфигурацията EPROM.
VCCO. Захранващо напрежение на I/O единици. Xilinx FPGA съдържат I/O блокове, които могат да бъдат конфигурирани да работят в различни стандарти. В зависимост от това кой стандарт е избран от разработчика, се прилагат различни нива на напрежение (1,5; 1,8; 2,5; 3,0 и 3,3 V). Конфигурирането на I/O блокове е възможно в една и съща FPGA, но това предполага наличието на няколко източника на напрежение за I/O устройство (VCCO).
VCCAUX. Спомагателно захранващо напрежение, необходими за различни спомагателни функции на FPGA като контролер на часовника или интерфейс JTAG. Спомагателните устройства са по-чувствителни към шума от другите и следователно VCCAUX има по-високи изисквания за изолация, за да сведе до минимум индуцирания шум. VCCAUX напреженията могат да бъдат 2,5 и 3,3 V. В случай, че захранването на сърцевината с напрежение VCCO има нисък шум, то може да захранва блокове от спомагателни функции.
VCCAUXTX. Спомагателно захранващо напрежение за приемо-предаватели RocketIO, които има семейството Virtex-II Pro FPGA. Това захранващо напрежение има специални изисквания за шум. Устройството трябва да се захранва от отделен регулатор на напрежението, свързан към отделна заземителна равнина на печатната платка (GNDA).
VREF. Референтно захранващо напрежение необходим за диференциален порт, използващ различни I/O стандарти като LVDS.
VTT. Захранващо напрежение на клемния резистор.

Последователност на захранващото напрежение

В зависимост от семейството FPGA, може да е необходима специфична последователност на захранващото напрежение. Семейството Spartan-IIE изисква едновременно снабдяване с VCCINT и VCCO. Ако напрежението на сърцевината VCCINT е приложено преди захранващите напрежения на I/O модулите, токът може да скочи поради това, че I/O щифтовете не са в състояние с висок импеданс. Ако обаче токът ICCPO се подава от захранването VCCINT, процесът на включване ще бъде успешен, независимо от последователността на захранването. За семейството Virtex-II Pro редът на източника не е важен, с изключение на източника VCCAUX, който трябва да бъде включен преди VCCO, за да осигури минималния ток от захранването. За да изясните конкретни изисквания, вижте оригиналната документация.

Едно от решенията на проблема с последователността на подаване на напрежения е използването на стабилизатори на напрежение с допълнителен изход за разрешение за работа.

Основни препоръки за избор на източник на захранване

За захранване на FPGA са предназначени както веригите за понижаване на първичното захранващо напрежение, така и увеличаващите се вериги. В първия случай е възможно да се използват не само непрекъснати стабилизатори, но и ключови. Във втория - само импулсен тип преобразуване на напрежението. Помислете за критериите за избор на типа стабилизатори на напрежението.

Линейни и импулсни регулатори на напрежението

След като бъде определена максималната мощност и захранващо напрежение на FPGA, може да се избере типът на преобразувателя. Таблица 1 показва основните функционални разлики между линейните стабилизатори на напрежението и превключването.

Таблица 1. Сравнение на линейни и импулсни стабилизатори на напрежението