Проектування свердловин на системному рівні для ПЛІС; Вбудовані засоби розробки; Electronicsnet
25 жовтня 2011 р., 8:58 ранку | Джефф Перрі
Велика кількість споживачів сучасних ПЛІС робить конструкцію блоків живлення цих компонентів відповідно складною. Недостатньо просто забезпечити необхідну напругу та силу струму, оскільки кожен споживач може мати індивідуальні вимоги щодо пульсацій напруги, фільтрації перешкод, розділення напруги живлення та властивостей плавного пуску. Розробникам часто доводиться йти на компроміси; Спеціалізовані інструменти допомагають у зважуванні.
Великі потреби у споживачах часто вимагають використання перемикаючих регуляторів постійного/постійного струму, внаслідок чого перешкоди та пульсації напруги тут також повинні контролюватися. Крім того, архітектура джерела живлення може бути спроектована таким чином, що одна або кілька проміжних напруг вставляються між вхідною напругою та регуляторами точки навантаження (PoL).
Рішення щодо такого рішення, у свою чергу, може мати наслідки для ефективності, розміру та вартості загальної конструкції енергопостачання. Крім того, окремі джерела живлення можуть бути оптимізовані для реалізації вищих проектних специфікацій. При оцінці різних підходів може бути корисним інструмент онлайн-проектування "Webench FPGA Power Architect" від National Semiconductor.
На початку проектування слід визначити, які вимоги відповідає ПЛІС до джерела живлення. Це завдання може бути чим завгодно простим, оскільки відповідні дані можна знайти у великій кількості аркушів даних та інших документах. В Таблиця 1 узагальнити важливі специфікації джерела живлення ПЛІС.
| електрика | Оцінка потужності, електронні таблиці, симулятор живлення | Розміри, ефективність, виробництво тепла та витрати блоку живлення | Визначення частоти комутації, оптимізація компонентів |
| напруженість | Паспорт даних FPGA, опис розтискання | Значення та допуски компонентів, пульсації постійного струму, перехідні процеси змінного струму, перевищення та зниження | Компоненти з обмеженими допусками, вихідні конденсатори з низьким коефіцієнтом ESR, критично затухаючий контур управління, моделювання системи |
| Зриви | Таблиця даних FPGA, примітки та виноски | Несправності комутації, перехресне регулювання між споживачами | Комутаційні мережі захисту, фільтри перешкод, окремі джерела живлення |
| Секвенування, властивості запуску | Таблиця даних FPGA, примітки та виноски | Ефекти затримки, пусковий струм | Плавний пуск, послідовність мікросхем |
Для того, щоб визначити потреби в енергії кожного споживача, більшість виробників ПЛІС надають так звані «Таблиці оцінки потужності», за допомогою яких можна розрахувати споживання енергії та струми навантаження залежно від ресурсів, що використовуються в ПЛІС. Крім того, ви можете використовувати більш складні тренажери виробників FPGA. Щоб бути безпечним, до розрахункових струмів навантаження слід додати додаткову плату в розмірі близько 25%.
Іншою вимогою є специфікація напруги споживача, яка спочатку може бути обмежена зазначенням мінімальної та максимальної напруги в паспорті FPGA. Однак для проектування джерела живлення є важливим ряд інших факторів, таких як зсуви, обумовлені мережею резисторів зворотного зв'язку в джерелі живлення, допуски опору та допуск опорного зворотного зв'язку в контролері.
Слід також взяти до уваги пульсації регулятора перемикання, при цьому важливо розрізняти статичну пульсацію постійного струму або короткочасний недобіг та перевитрати. Крім того, можуть бути присутні комутаційні перешкоди високої частоти (10 МГц або більше).
Рис. 1: Криві показують реакцію імпульсного джерела живлення, змодельовану Webench FPGA Power Architect
Зображення 1 показує стрибок навантаження, змодельований Webench FPGA Power Architect. Видно зміщення Vout, статичну пульсацію, перевитрату та недостріл. У разі чутливих споживачів, таких як функції ФАПЧ (фазовий контур), для зменшення пульсацій може знадобитися окремий фільтр. Потрібно також вирішити, чи можна до одного джерела живлення підключити кілька споживачів, що зменшить витрати, чи є кращим окреме живлення (наприклад, для споживачів, чутливих до перешкод).
Плавний пуск підходить для цілей послідовності, щоб гарантувати, що одна напруга живлення спрацьовує за іншою і відсутність ефектів фіксації. Це також дозволяє обмежити пусковий струм і забезпечити монотонне збільшення напруги. Інструменти проектування, такі як Power Architect, роблять необхідну інформацію централізовано доступною, як тільки користувач прийняв рішення про конкретну ПЛІС.
Архітектури енергопостачання
Після того, як вимоги до джерела живлення будуть визначені, повинна бути обрана архітектура джерела живлення. Може бути вигідним забезпечити одну або кілька проміжних напруг між постійною напругою на вхідній стороні та регуляторами PoL. Однією з причин цього є те, що в цьому випадку вам потрібен лише один регулятор з компонентами високої напруги, які, як правило, дорожчі та займають більше місця. Крім того, асинхронні перетворювачі з високоякісним високоякісним MOSFET зазвичай працюють ефективніше при більш високих робочих циклах.
Таким чином, використання додаткового проміжного регулятора для зниження вхідної напруги може покращити загальну ефективність.
Рисунок 2: Ця діаграма, сформована Webench FPGA Power Architect, ілюструє ефективність, вимоги до простору та витрати на компоненти різних архітектур блоків живлення
малюнок 2 порівнює різні конфігурації проміжної напруги з точки зору ефективності та вимог до простору з незмінною вхідною напругою та вихідною потужністю. Варіант повністю без проміжної напруги справляється з найменшою кількістю контролерів, але вимагає найбільшого простору та забезпечує найнижчу ефективність.
Найбільшу ефективність і найменші розміри пропонує конструкція з двома проміжними напругами 12 В і 5 В., які розташовані близько до напруг PoL. Після розгляду архітектури системи, зараз питання про те, як можна оптимізувати окремі конструкції комутаційних перетворювачів, побажання задовольнити низькі вимоги до простору, високу ефективність та низьку вартість.
Частота перемикання тут є дуже вирішальним фактором. Високі частоти перемикання дають можливість використовувати менший дросель, оскільки інтервали включення перемикача коротші.
Наслідком цього є менший розмір. З іншого боку, втрати від перемикання збільшуються на високих частотах, що впливає на ефективність.
Витрати, як правило, нижчі при вищих частотах комутації, оскільки менші компоненти зазвичай дешевші. І навпаки, низька частота комутації знижує комутаційні втрати, завдяки чому ефективність зростає. Щоб запобігти надмірному збільшенню струмів, що перемикаються, необхідний більший дросель, який відповідно збільшує площу основи.
Більший дросель також може збільшити ціну. Оптимізація окремих джерел живлення з урахуванням загальної заданої цілі пропонує можливість широко модулювати всю систему живлення FPGA. Ефективність системи становить від 84% до 94%, а потреба у просторі - від 1,4 см2 до 6,4 см2. Вартість коливається від 14,08 до 31,53 доларів.
Про автора:
Джефф Перрі - старший менеджер WEBENCH, команда National Semiconductor.