Gestió d'energia per a FPGA

Hi ha hagut moltes discussions tècniques sobre el disseny d'una bona solució de gestió d'energia per a una aplicació FPGA, ja que no és una tasca trivial. Un aspecte d'aquesta tasca consisteix a trobar la solució adequada i seleccionar el producte de gestió d'energia més adequat, mentre que un altre és com optimitzar la solució real per utilitzar-la amb FPGA. Trobar la solució d'alimentació adequada Trobar la millor solució possible per alimentar FPGA no és senzill. Molts venedors comercialitzen determinats productes com a adequats per alimentar FPGA. Què fa que la selecció de convertidors de CC a CC sigui específica per alimentar FPGA? No gaire. En general, tots els convertidors de potència es poden utilitzar per alimentar FPGA. Les recomanacions per a determinats productes es basen generalment en el fet que moltes aplicacions FPGA requereixen múltiples rails de tensió, com ara el nucli FPGA, les E/S i possiblement un rail addicional per a la terminació de la memòria DDR. Sovint es prefereixen els PMIC (circuits integrats de gestió d'energia), on diversos convertidors de CC a CC estan integrats en un sol xip regulador. Una manera popular de trobar una bona solució per alimentar un FPGA específic és utilitzar dissenys de referència de gestió d'energia preexistents, que ofereixen molts venedors d'FPGA. Aquest és un bon punt de partida per a un disseny optimitzat. Tanmateix, sovint són necessàries modificacions d'aquests dissenys, ja que un sistema amb un FPGA sol requerir carrils de tensió addicionals i càrregues que també s'han d'alimentar. Sovint també són necessàries addicions al disseny de referència. Una altra cosa a tenir en compte és que la potència d'entrada dels FPGA no està fixada. La tensió d'entrada depèn en gran mesura dels nivells lògics reals i del disseny que està implementant l'FPGA. Després de completar la modificació del disseny de referència de gestió d'energia, tindrà un aspecte diferent del suggeriment original del disseny de referència. Es pot argumentar que la millor solució és ni tan sols molestar-se amb un disseny de referència de gestió de l'energia, sinó introduir els rails de tensió i corrents necessaris directament en una eina de selecció i optimització de gestió d'energia com ara LTpowerCAD de Analog Devices. Figura 1. Eina LTpowerCAD per seleccionar els convertidors de CC a CC adequats per alimentar FPGA. LTpowerCAD es pot utilitzar per trobar una solució d'alimentació per a carrils de tensió individuals. També ofereix una col·lecció de dissenys de referència, proporcionant als dissenyadors un bon punt de partida. LTpowerCAD es pot descarregar gratuïtament des del lloc web d'Analog Devices. Un cop seleccionada una arquitectura de potència i convertidors de tensió individuals, hem d'escollir components passius adequats i dissenyar la font d'alimentació. Quan fem això, hem de tenir en compte els requisits especials de càrrega dels FPGA. Aquests són: Requisits individuals de corrent Seqüenciació de rails de tensió Augment monòton dels rails de tensió Transitoris de potència ràpids Precisió de voltatge Requisits de corrent individuals El consum de corrent real de qualsevol FPGA depèn en gran mesura del cas d'ús. Un rellotge diferent i un contingut FPGA diferent requereixen diferents quantitats d'energia. Per això, l'especificació final de la font d'alimentació per a un disseny FPGA típic està obligat a canviar durant el procés de disseny del sistema FPGA. Els fabricants d'FPGA ofereixen eines d'estimació de potència que ajuden a calcular el tipus de nivell de potència que necessitarà la solució. Aquesta informació és molt útil per tenir abans de construir el maquinari real. Tot i així, el disseny de l'FPGA ha de ser definitiu, o almenys proper al final, per obtenir resultats significatius amb aquests estimadors de potència. Sovint, els enginyers dissenyen la font d'alimentació tenint en compte el màxim corrent FPGA. Aleshores, si resulta que el disseny FPGA real requereix menys potència, redueixen la font d'alimentació. Seqüenciació de ferrocarril de tensió Molts FPGA requereixen diferents carrils de tensió de subministrament per aparèixer en una seqüència específica. Sovint, la tensió del nucli s'ha de subministrar abans que les tensions d'E/S arribin. En cas contrari, alguns FPGA es faran malbé. Per evitar-ho, la font d'alimentació s'ha de seqüenciar en l'ordre correcte. La seqüenciació senzilla es pot fer fàcilment mitjançant l'ús de pins d'activació en convertidors de CC a CC estàndard. Tanmateix, normalment també es requereix una seqüenciació baixa controlada. És difícil aconseguir un bon resultat quan només s'activa la seqüenciació de pins. Una millor solució és utilitzar un PMIC amb funcions de seqüenciació integrades avançades, com ara l'ADP5014. El bloc de circuits especials que permet una seqüenciació de baixada d'ordre ascendent i invers ajustable s'indica en vermell a la figura 2. Figura 2. ADP5014 PMIC amb suport integrat per a una seqüenciació flexible de pujada i baixada. La figura 3 mostra la seqüenciació feta amb aquest dispositiu. El retard de temps per a la seqüenciació amunt i avall es pot ajustar fàcilment amb pins de retard (DL) a l'ADP5014. Si s'utilitzen fonts d'alimentació individuals, un xip de seqüenciació addicional pot fer-se càrrec de la seqüenciació d'encesa/apagada necessària. Un exemple és l'LTC2924, que pot controlar els pins d'habilitació dels convertidors de CC a CC per encendre i apagar les fonts d'alimentació o pot conduir MOSFET de canal N de costat alt per connectar i desconnectar un FPGA a un determinat rail de tensió. Figura 3. Seqüenciació d'engegada i apagada de múltiples tensions d'alimentació FPGA. Pujada monòtona dels rails de tensió A més de la seqüenciació de voltatge, també pot ser necessari un augment monòton de les tensions durant l'arrencada. Això significa que una tensió només augmentarà linealment, tal com mostra la tensió A a la figura 4. La tensió B en aquesta gràfica mostra un exemple d'una tensió que no augmenta monòtonament. Això pot passar quan la càrrega comença a tirar grans corrents a un cert nivell de tensió durant l'arrencada. Una manera d'evitar-ho és permetre un arrencada suau més llarga de la font d'alimentació i triar convertidors de potència que puguin subministrar ràpidament grans quantitats de corrent. Figura 4. La tensió A augmenta monòtonament, amb la tensió B no augmenta de manera monòtona. Transitoris de potència ràpida Una altra característica de l'FPGA és que els FPGA comencen a extreure corrents elevats molt ràpidament. Provoquen transitoris de càrrega elevats a la font d'alimentació. Per aquest motiu, molts FPGA requereixen un desacoblament de voltatge d'entrada extens. Els condensadors ceràmics s'utilitzen molt de prop entre els pins VCORE i GND del dispositiu. Els valors de fins a 1 mF són força habituals. Aquesta capacitat tan alta ajuda a reduir la demanda de les fonts d'alimentació per oferir corrents de punta molt elevades. Tanmateix, molts reguladors de commutació i LDO tenen una capacitat de sortida màxima especificada. El requisit de capacitat d'entrada de l'FPGA pot superar la capacitat de sortida màxima permesa de la font d'alimentació. A les fonts d'alimentació no els agraden els grans condensadors de sortida, ja que, durant l'inici, aquest banc de condensadors sembla un curtcircuit a la sortida del regulador de commutació. Hi ha una solució per a aquest problema. Un llarg temps d'inici suau pot permetre que la tensió del gran banc de condensadors surti de manera fiable sense que la font d'alimentació entri en mode de límit de corrent de curtcircuit. Figura 5. Requisits de condensadors d'entrada de moltes FPGA. Una altra raó per la qual alguns convertidors de potència no els agrada la capacitat de sortida excessiva és que aquest valor de capacitat passa a formar part del bucle de regulació. Els convertidors amb compensació de bucle integrada no permeten una capacitat de sortida excessiva per evitar la inestabilitat del bucle del regulador. Sovint, hi ha maneres d'influir en el bucle de control mitjançant la capacitat d'alimentació anticipada a través de la resistència de retroalimentació del costat alt, tal com es mostra a la figura 6. Figura 6. Condensador d'alimentació cap endavant per permetre l'ajust del bucle de control quan no hi ha cap pin de compensació de bucle disponible. Per al comportament de càrrega transitòria i d'arrencada d'una font d'alimentació, la cadena d'eines de desenvolupament que inclou LTpowerCAD i especialment LTspice és molt útil. Un efecte que es presta bé al modelatge i la simulació és el desacoblament dels grans condensadors d'entrada de l'FPGA dels condensadors de sortida de la font d'alimentació. La figura 6 mostra aquest concepte. Tot i que la font d'alimentació POL (punt de càrrega) tendeix a situar-se a prop de la càrrega, sovint hi ha algun rastre de PCB entre la font d'alimentació i el condensador d'entrada FPGA. Quan hi ha diversos condensadors d'entrada FPGA al costat de l'altre al tauler, els que estiguin més allunyats de la font d'alimentació tindran un efecte menor en la funció de transferència de les fonts d'alimentació, ja que hi ha una certa resistència, però també una inductància de traça parasitària entre ells. . Aquestes inductàncies de placa paràsites poden permetre que la capacitat d'entrada d'una FPGA sigui més gran que el límit màxim de capacitat de sortida de la font d'alimentació, tot i que tots els condensadors estan connectats al mateix node de la placa. A LTspice, es poden afegir inductàncies de traça paràsits a l'esquema i es poden modelar aquests efectes. Els resultats de la simulació s'aproximen a la realitat quan s'inclouen components paràsits adequats en el modelatge del circuit. Figura 7. Desacoblament paràsit entre els condensadors de sortida de la font d'alimentació i els condensadors d'entrada FPGA. Precisió de voltatge La precisió de voltatge d'una font d'alimentació FPGA normalment ha de ser bastant alta. Una banda de tolerància de variació de només el 3% és força habitual. Per exemple, mantenir un rail central Stratix V a 0.85 V dins d'una finestra de precisió de voltatge del 3% requereix una banda de tolerància completa de només 25.5 mV. Aquesta petita finestra inclou la variació de tensió després dels transitoris de càrrega, així com la precisió de CC. De nou, la cadena d'eines de subministrament d'energia disponible, que inclou LTpowerCAD i LTspice, és essencial en el procés de disseny d'energia per a requisits tan estrictes. Un últim consell és pel que fa a la selecció de condensadors d'entrada FPGA. Perquè puguin lliurar ràpidament grans corrents, normalment es trien condensadors ceràmics. Funcionen bé per a aquest propòsit, però cal seleccionar-los perquè el seu valor de capacitat real no caigui amb la tensió de polarització de CC.

Deixa un missatge 

Llista de missatges