Por:
Viral Vaidya, Gerente de Negocios
10 de octubre 2012
Resumen: Hay muchas cosas a tener en cuenta al diseñar una fuente de alimentación para un arreglo de compuertas programables en campo (FPGA). Estos incluyen (pero no están limitados a) el número de carriles de alta tensión, y los diferentes requisitos tanto para la secuenciación / seguimiento y los límites de tensión de ondulación. Esta nota de aplicación explica estas y otras fuentes de alimentación consideraciones que un ingeniero debe pensar en el diseño de una fuente de alimentación para un FPGA.
Una versión similar de este artículo apareció en el 01 de agosto 2012 cuestión de la electrónica Especificador revista.
Introducción
Programables en campo (FPGAs gate arrays) y complejos dispositivos de lógica programable (CPLD) requerir de 3 a 15, o incluso más, rieles de voltaje. La tela de la lógica es por lo general en el nodo de proceso última tecnología que determina la tensión de alimentación del núcleo. Configuración, el circuito de limpieza, varios de E / S, serializador / deserializador (SerDes ) transceptores, administradores de reloj, y otras funciones de todos tienen diferentes requisitos para los rieles de voltaje, secuenciación / seguimiento y los límites de tensión de rizado. Un ingeniero debe tener en cuenta todas estas cuestiones en el diseño de una fuente de alimentación para un FPGA.
Requisitos de alimentación Comience con los rieles de voltaje
Dado que los dispositivos lógicos programables (PLDs) y FPGAs asumir el papel de un sistema en un chip ( SoC ) en su tablero, alimentar estos dispositivos es comparable a la alimentación de un sistema completo. FPGAs de gama alta como el Xilinx Virtex ® ® serie M y la serie Altera Stratix ® ® fácilmente tener 10 a 15 carriles exclusivos. De menor densidad, tales como FPGAs Xilinx ® la Kintex y Spartan ® serie o la Altera ® Arria y Cyclone ® serie puede tener 2 a 10 carriles, dependiendo de la aplicación.
Con FPGAs variar grandemente, es muy importante que elija la fuente de alimentación correcta para cada aplicación. Debe definir el conjunto de reguladores de potencia para el nivel de potencia global de cada carril, los requisitos de los carriles "de secuenciación, y el sistema de gestión de la alimentación necesidades. Por otra parte, como nodos de tecnología de procesos se hacen más pequeños en FPGAs, tolerancias son necesarias en las guías de suministro de voltaje. Esto es por qué los reguladores con una precisión del 1% a través de la regulación (PVT) de línea / carga y el proceso de tensión-temperatura variaciones son tan críticos ( Figura 1 ).
Figura 1. Un diagrama de bloques simplificado muestra la arquitectura de potencia en aplicaciones industriales FPGA.
Comprender el sistema
A nivel del sistema consideraciones de diseño influyen en la elección de la arquitectura de poder. Sistema de encendido diseños FPGA para aplicaciones simples utilizar reguladores individuales y MultiRail que toman una entrada 5V/12V y fuente de alimentación para todos los carriles FPGA, y se han incorporado en la secuenciación y un mínimo de componentes externos. Facilidad de uso es fundamental en estas aplicaciones, y alta integración en el regulador proporcionará que la facilidad de uso. Características que simplifican estos diseños MOSFET de potencia incluyen internos, compensación interna, capacidad de programación digital, e inductores incluso internos.
Infraestructura FPGAs equipos de uso, procesadores de señal digital (DSP), ASICs y periféricos que funcionan con numerosos puntos de carga ( POL ) reguladores que son, a su vez, controlados por un maestro controlador . El PMBus ™ o protocolo I ² C / SPI control basado en un microcontrolador con frecuencia se utiliza en estas aplicaciones. Algunas aplicaciones requieren que controlar tanto el poder de los FPGAs en la pizarra y varios otros dispositivos en un sistema con administración de energía dinámica y monitoreo. A veces se sugiere que usted encender / apagar algunos circuitos integrados basados en eventos de activación. Se trata de situaciones de avanzados sistemas de gestión de energía integrados, como el MAX34440 y MAX34441 , que controlan múltiples reguladores POL y los aficionados. Estos dispositivos permiten la regulación de potencia dinámica, con varios modos de funcionamiento como de hibernación y de espera, y proporcionar una supervisión superior y el registro de fallos.
Las aplicaciones que se ejecutan en las pilas puede tomar ventaja de la "Xilinx FPGAs modos de ahorro de energía que mantienen los circuitos FPGA en modo de hibernación, excepto cuando crujido de algoritmos. Los reguladores como el MAX15053 puede alimentar estas FPGAs, y también puede ahorrar energía y mejorar la eficiencia de las técnicas como de impulso y saltar la luz de carga de modo de operación y control.
Entender Rieles su FPGA de energía
PLDs modernos tienen un carril central de suministro que alimenta la mayoría del dispositivo y consume la mayor potencia.Con cada nodo de la nueva tecnología, hay una nueva oferta núcleo ferroviario de tensión. De tensión auxiliar de suministro de energía carriles de soporte tales como circuitos de lógica de configuración, los administradores de reloj, y otros circuitos de limpieza. Además, los FPGAs se utilizan normalmente para cerrar un estándar de interfaz a otro, y cada uno de E / S del controlador tiene su carril de voltaje único que van desde 1,2 V a 3,3 V. Interfaces de ejemplo incluyen LVTTL / LVCMOS, LVDS , LVDS bus, mini-LVDS, HSTL, SSTL y TMDS.
Se requiere cuidado especial en la alimentación de alta velocidad transceptores SerDes, cada uno de los cuales puede consumir 1A a varios amperios de corriente y funcionar a velocidades de 155Mbps a 28Gbps, y más allá. Un 100G Ethernet aplicación, por ejemplo, utiliza muchos transceptores tales y consume 10A o más de corriente. Debido a las altas velocidades involucradas, una barra de alimentación ruidosa es particularmente perjudicial para su desempeño.
Estimar las necesidades de su FPGA de energía
Hay tres pasos a seguir para determinar las necesidades de energía de su FPGA.
- Determinar la tensión de entrada. Puede utilizar la hoja de cálculo FPGA datos de energía para esto. Asegúrese de identificar todos los raíles de tensión y corrientes requeridas.
- Consulte las hojas de datos de los reguladores de energía posibles. Determinar que las especificaciones de V IN , VOUT , me OUT , secuenciación, interfaces, programación y cumplir con los requisitos de la FPGA.
- Utilice una base de datos de producto del fabricante para clasificar y seleccionar la mejor parte de la FPGA y aplicación.
Siempre se debe considerar avanzadas PMIC Características
La elección de la fuente de alimentación adecuada para una FPGA o PLD es sencillo, si evaluar el nivel de potencia global de cada carril de tensión en la aplicación. Con ese entendimiento, puede comenzar el proceso de revisión y selección, finalmente, una fuente de alimentación. Los reguladores de energía hoy en día ofrecen varias características avanzadas más allá de los básicos de entrada / salida de voltajes y corrientes. Inicio de la secuencia / seguimiento, el inicio bajo una carga cargado previamente, la sincronización con un reloj externo, o sensores remotos se pueden integrar en un único dispositivo.Cualquiera de estas nuevas características pueden ser críticos o completamente innecesario para una aplicación. Al final, sólo cuando se comprende bien su aplicación puede realmente escoger la fuente de alimentación correcta.
Consulte detalladas Maxim soluciones analógicas para FPGAs de Xilinx y Altera soluciones analógicas para FGPAs guías del producto.
Altera es una marca registrada y marca de servicio registrada de Altera Corporation. Arria es una marca registrada de Altera Corporation. Cyclone es una marca registrada de Altera Corporation. Kintex es una marca registrada de Xilinx, Inc. PMBus es una marca comercial de SMIF, Inc. Spartan es una marca registrada de Xilinx, Inc. Stratix es una marca registrada de Altera Corporation. Virtex es una marca registrada de Xilinx, Inc. Xilinx es una marca registrada y marca de servicio registrada de Xilinx, Inc.
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