การจัดการพลังงานสำหรับ FPGA

มีการพูดคุยทางเทคนิคมากมายเกี่ยวกับการออกแบบโซลูชันการจัดการพลังงานที่ดีสำหรับแอปพลิเคชัน FPGA เนื่องจากไม่ใช่งานเล็กน้อย แง่มุมหนึ่งของงานนี้เกี่ยวข้องกับการค้นหาโซลูชันที่เหมาะสมและการเลือกผลิตภัณฑ์การจัดการพลังงานที่เหมาะสมที่สุด ในขณะที่อีกประการหนึ่งคือการเพิ่มประสิทธิภาพโซลูชันจริงสำหรับใช้กับ FPGA การค้นหาโซลูชันพาวเวอร์ซัพพลายที่เหมาะสม การค้นหาวิธีแก้ปัญหาที่ดีที่สุดสำหรับการจ่ายไฟ FPGA ไม่ใช่เรื่องง่าย ผู้ค้าหลายรายทำการตลาดผลิตภัณฑ์บางอย่างเพื่อให้เหมาะกับ FPGA อะไรที่ทำให้การเลือกตัวแปลง dc-to-dc เฉพาะสำหรับการจ่ายไฟ FPGA ไม่มาก. โดยทั่วไป ตัวแปลงพลังงานทั้งหมดสามารถใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับ FPGA ได้ คำแนะนำสำหรับผลิตภัณฑ์บางประเภทมักจะอิงตามข้อเท็จจริงที่ว่าแอปพลิเคชัน FPGA จำนวนมากต้องการรางแรงดันไฟฟ้าหลายตัว เช่น สำหรับแกน FPGA, I/O และอาจมีรางเพิ่มเติมสำหรับการยุติหน่วยความจำ DDR บ่อยครั้ง PMIC (วงจรรวมการจัดการพลังงาน) โดยที่ตัวแปลง dc-to-dc หลายตัวถูกรวมไว้ในชิปควบคุมตัวเดียวเป็นที่ต้องการ วิธีหนึ่งที่นิยมในการค้นหาวิธีแก้ปัญหาที่ดีในการจ่ายไฟให้กับ FPGA เฉพาะคือการใช้การออกแบบอ้างอิงการจัดการพลังงานที่มีอยู่แล้ว ซึ่งผู้ขาย FPGA หลายรายเสนอให้ นี่เป็นจุดเริ่มต้นที่ดีสำหรับการออกแบบที่เหมาะสมที่สุด อย่างไรก็ตาม การปรับเปลี่ยนการออกแบบดังกล่าวมักมีความจำเป็น เนื่องจากระบบที่มี FPGA มักต้องการรางแรงดันไฟฟ้าและโหลดเพิ่มเติมซึ่งจำเป็นต้องได้รับพลังงานด้วย บ่อยครั้งจำเป็นต้องมีส่วนเพิ่มเติมในการออกแบบอ้างอิง สิ่งที่ต้องพิจารณาอีกประการหนึ่งคือกำลังไฟฟ้าเข้าของ FPGA ไม่คงที่ แรงดันไฟฟ้าขาเข้าขึ้นอยู่กับระดับตรรกะจริงและการออกแบบที่ FPGA กำลังดำเนินการอยู่ หลังจากแก้ไขการออกแบบอ้างอิงการจัดการพลังงานเสร็จแล้ว จะดูแตกต่างจากข้อเสนอแนะดั้งเดิมของการออกแบบอ้างอิง อาจมีคนโต้แย้งว่าทางออกที่ดีที่สุดคือไม่ต้องวุ่นวายกับการออกแบบอ้างอิงการจัดการพลังงาน แต่ให้ป้อนรางแรงดันไฟและกระแสที่จำเป็นโดยตรงในการเลือกการจัดการพลังงานและเครื่องมือเพิ่มประสิทธิภาพ เช่น LTpowerCAD จาก Analog Devices รูป 1 เครื่องมือ LTpowerCAD เพื่อเลือกตัวแปลง dc-to-dc ที่เหมาะสมเพื่อจ่ายไฟให้กับ FPGA สามารถใช้ LTpowerCAD เพื่อสร้างโซลูชันด้านพลังงานสำหรับรางแรงดันไฟฟ้าแต่ละตัว นอกจากนี้ยังมีคอลเลกชันของการออกแบบอ้างอิงเพื่อให้นักออกแบบมีจุดเริ่มต้นที่ดี สามารถดาวน์โหลด LTpowerCAD ได้ฟรีจากเว็บไซต์ Analog Devices เมื่อเลือกสถาปัตยกรรมกำลังไฟฟ้าและตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าแต่ละตัวแล้ว เราจำเป็นต้องเลือกส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่เหมาะสมและออกแบบแหล่งจ่ายไฟ เมื่อทำเช่นนี้ เราต้องคำนึงถึงข้อกำหนดการโหลดพิเศษของ FPGA ความต้องการกระแสไฟฟ้าส่วนบุคคล การจัดลำดับรางแรงดันไฟฟ้า การเพิ่มโมโนโทนิกของรางแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟชั่วขณะ ความถูกต้องของแรงดันไฟฟ้า ความต้องการกระแสไฟส่วนบุคคล การใช้กระแสไฟจริงของ FPGA ใดๆ ขึ้นอยู่กับกรณีการใช้งานเป็นอย่างมาก การตอกบัตรที่แตกต่างกันและเนื้อหา FPGA ที่แตกต่างกันนั้นต้องการพลังงานในปริมาณที่แตกต่างกัน ด้วยเหตุนี้ ข้อมูลจำเพาะของพาวเวอร์ซัพพลายขั้นสุดท้ายสำหรับการออกแบบ FPGA ทั่วไปจึงจำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงในระหว่างกระบวนการออกแบบระบบ FPGA ผู้ผลิต FPGA จัดหาเครื่องมือประมาณค่ากำลังไฟฟ้าที่ช่วยคำนวณระดับพลังงานที่โซลูชันจะต้องใช้ ข้อมูลนี้มีประโยชน์มากก่อนที่จะสร้างฮาร์ดแวร์จริง ถึงกระนั้น การออกแบบของ FPGA จะต้องสิ้นสุด หรืออย่างน้อยก็ใกล้ถึงขั้นสุดท้าย เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่มีความหมายด้วยตัวประมาณกำลังดังกล่าว บ่อยครั้งที่วิศวกรออกแบบแหล่งจ่ายไฟโดยคำนึงถึงกระแส FPGA สูงสุด จากนั้น หากปรากฎว่าการออกแบบ FPGA ที่แท้จริงนั้นต้องการพลังงานน้อยกว่า ก็จะลดขนาดแหล่งจ่ายไฟลง การจัดลำดับรางแรงดันไฟ FPGA หลายตัวต้องการรางแรงดันไฟที่แตกต่างกันในลำดับที่เจาะจง บ่อยครั้งที่จำเป็นต้องจ่ายแรงดันไฟหลักก่อนที่แรงดันไฟ I/O จะเกิดขึ้น มิฉะนั้น FPGA บางส่วนจะได้รับความเสียหาย เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ แหล่งจ่ายไฟจะต้องจัดลำดับในลำดับที่ถูกต้อง การจัดลำดับอย่างง่ายสามารถทำได้โดยใช้หมุดเปิดใช้งานบนตัวแปลง dc-to-dc มาตรฐาน อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีการควบคุมลำดับลงด้วย เป็นการยากที่จะได้ผลลัพธ์ที่ดีเมื่อเปิดใช้งานการจัดลำดับพินเท่านั้น ทางออกที่ดีกว่าคือการใช้ PMIC ที่มีคุณสมบัติการจัดลำดับแบบบูรณาการขั้นสูง เช่น ADP5014 แผงวงจรพิเศษที่ช่วยให้สามารถปรับลำดับขึ้นและลงตามลำดับได้จะแสดงเป็นสีแดงในรูปที่ 2 รูป 2 ADP5014 PMIC พร้อมการสนับสนุนในตัวสำหรับการเรียงลำดับขึ้นและลงที่ยืดหยุ่น รูปที่ 3 แสดงลำดับที่ทำกับอุปกรณ์นี้ สามารถปรับการหน่วงเวลาสำหรับการจัดลำดับขึ้นและลงได้อย่างง่ายดายด้วยหมุดหน่วงเวลา (DL) บน ADP5014 หากใช้อุปกรณ์จ่ายไฟแต่ละตัว ชิปซีเควนซ์เพิ่มเติมสามารถดูแลลำดับการเปิด/ปิดที่จำเป็นได้ ตัวอย่างหนึ่งคือ LTC2924 ซึ่งสามารถควบคุมทั้งพินที่เปิดใช้งานของตัวแปลง dc-to-dc เพื่อเปิดและปิดแหล่งจ่ายไฟ หรือสามารถขับเคลื่อน MOSFET N ช่องสัญญาณด้านสูงเพื่อติดและถอด FPGA กับรางแรงดันไฟฟ้าบางตัว รูป 3 การเริ่มต้นและการปิดลำดับของแรงดันไฟฟ้า FPGA หลายตัว Monotonic Rise of Voltage Rails นอกจากการจัดลำดับแรงดันไฟฟ้าแล้ว อาจจำเป็นต้องเพิ่มแรงดันไฟฟ้าแบบโมโนโทนิกในระหว่างการสตาร์ทด้วย ซึ่งหมายความว่าแรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงเท่านั้น ดังแสดงโดยแรงดันไฟฟ้า A ในรูปที่ 4 แรงดันไฟฟ้า B ในพล็อตนี้แสดงตัวอย่างแรงดันไฟฟ้าที่ไม่เพิ่มขึ้นแบบโมโนโทน สิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อโหลดเริ่มดึงกระแสขนาดใหญ่ที่ระดับแรงดันไฟฟ้าที่แน่นอนในระหว่างการเริ่มต้น วิธีหนึ่งในการป้องกันสิ่งนี้คือ ปล่อยให้แหล่งจ่ายไฟเริ่มต้นอย่างนุ่มนวลนานขึ้น และเลือกตัวแปลงพลังงานที่สามารถจ่ายกระแสไฟในปริมาณมากได้อย่างรวดเร็ว รูป 4 แรงดันไฟฟ้า A เพิ่มขึ้นแบบโมโนโทน โดยที่แรงดันไฟฟ้า B ไม่เพิ่มขึ้นแบบโมโนโทน Fast Power Transients คุณลักษณะ FPGA อีกประการหนึ่งคือ FPGA เริ่มวาดกระแสสูงอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดโหลดสูงชั่วคราวในแหล่งจ่ายไฟ ด้วยเหตุผลนี้ FPGA จำนวนมากจึงต้องการตัวแยกแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่กว้างขวาง ตัวเก็บประจุเซรามิกใช้อย่างใกล้ชิดระหว่างพิน VCORE และ GND ของอุปกรณ์ ค่าสูงถึง 1 mF นั้นค่อนข้างธรรมดา ความจุสูงดังกล่าวช่วยลดความต้องการอุปกรณ์จ่ายไฟเพื่อจ่ายกระแสไฟสูงสุดที่สูงมาก อย่างไรก็ตาม ตัวควบคุมการสลับและ LDO จำนวนมากมีการระบุความจุเอาต์พุตสูงสุด ข้อกำหนดด้านความจุอินพุตของ FPGA อาจเกินความจุเอาต์พุตสูงสุดที่อนุญาตของแหล่งจ่ายไฟ แหล่งจ่ายไฟไม่ชอบตัวเก็บประจุเอาต์พุตขนาดใหญ่เนื่องจากในระหว่างการเริ่มต้นธนาคารตัวเก็บประจุนี้ดูเหมือนไฟฟ้าลัดวงจรที่เอาต์พุตไปยังตัวควบคุมการสลับ มีวิธีแก้ไขปัญหานี้ เวลาเริ่มต้นที่นุ่มนวลที่ยาวนานสามารถช่วยให้แรงดันไฟฟ้าบนธนาคารตัวเก็บประจุขนาดใหญ่เกิดขึ้นได้อย่างน่าเชื่อถือโดยไม่ต้องจ่ายไฟเข้าสู่โหมดจำกัดกระแสไฟลัดวงจร รูป 5 ความต้องการตัวเก็บประจุอินพุตของ FPGA จำนวนมาก อีกเหตุผลหนึ่งที่ตัวแปลงพลังงานบางตัวไม่ชอบความจุเอาต์พุตที่มากเกินไปคือค่าความจุนี้กลายเป็นส่วนหนึ่งของวงจรควบคุม ตัวแปลงที่มีการชดเชยลูปในตัวไม่อนุญาตให้มีความจุเอาต์พุตมากเกินไป เพื่อป้องกันความไม่เสถียรของลูปของตัวควบคุม มักจะมีวิธีที่มีอิทธิพลต่อลูปควบคุมโดยใช้ความจุฟีดฟอร์เวิร์ดข้ามตัวต้านทานป้อนกลับด้านสูง ดังแสดงในรูปที่ 6 รูป 6 ป้อนตัวเก็บประจุไปข้างหน้าเพื่อให้สามารถปรับลูปควบคุมได้เมื่อไม่มีพินชดเชยลูป สำหรับพฤติกรรมการโหลดชั่วคราวและการเริ่มต้นทำงานของพาวเวอร์ซัพพลาย ห่วงโซ่เครื่องมือสำหรับการพัฒนา ซึ่งรวมถึง LTpowerCAD และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง LTspice นั้นมีประโยชน์มาก ผลกระทบอย่างหนึ่งที่ส่งผลดีต่อการสร้างแบบจำลองและการจำลองคือการแยกตัวเก็บประจุอินพุตขนาดใหญ่ของ FPGA จากตัวเก็บประจุเอาท์พุตของแหล่งจ่ายไฟ รูปที่ 6 แสดงแนวคิดนี้ แม้ว่าแหล่งจ่ายไฟ POL (จุดโหลด) มักจะอยู่ใกล้กับโหลด แต่มักจะมีร่องรอย PCB ระหว่างแหล่งจ่ายไฟและตัวเก็บประจุอินพุต FPGA เมื่อมีตัวเก็บประจุอินพุต FPGA หลายตัวติดกันบนบอร์ด ตัวที่อยู่ห่างจากแหล่งจ่ายไฟมากที่สุดจะมีผลน้อยกว่าในฟังก์ชันการถ่ายโอนของพาวเวอร์ซัพพลาย เนื่องจากมีความต้านทานอยู่บ้างแต่ยังมีการเหนี่ยวนำกาฝากระหว่างพวกมันด้วย . การเหนี่ยวนำของบอร์ดกาฝากเหล่านี้สามารถช่วยให้ความจุอินพุตของ FPGA มีขนาดใหญ่กว่าขีดจำกัดสูงสุดของความจุเอาต์พุตของแหล่งจ่ายไฟ แม้ว่าตัวเก็บประจุทั้งหมดจะเชื่อมต่อกับโหนดเดียวกันบนบอร์ด ใน LTspice สามารถเพิ่มการเหนี่ยวนำการติดตามปรสิตในแผนผังและสามารถสร้างแบบจำลองผลกระทบดังกล่าวได้ ผลการจำลองใกล้เคียงกับความเป็นจริงเมื่อมีส่วนประกอบปรสิตที่เพียงพอรวมอยู่ในการสร้างแบบจำลองวงจร รูป 7 การแยกขั้วระหว่างตัวเก็บประจุเอาท์พุตของพาวเวอร์ซัพพลายและตัวเก็บประจุอินพุท FPGA ความแม่นยำของแรงดันไฟฟ้า ความแม่นยำของแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ FPGA มักจะต้องค่อนข้างสูง แถบความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงเพียง 3% เป็นเรื่องปกติธรรมดา ตัวอย่างเช่น การรักษารางแกนหลักของ Stratix V ไว้ที่ 0.85 V ภายในหน้าต่างความแม่นยำของแรงดันไฟฟ้า 3% ต้องใช้แถบความคลาดเคลื่อนที่สมบูรณ์เพียง 25.5 mV หน้าต่างเล็ก ๆ นี้รวมถึงความแปรผันของแรงดันไฟฟ้าหลังจากโหลดชั่วขณะ เช่นเดียวกับความแม่นยำของกระแสตรง อีกครั้ง ห่วงโซ่เครื่องมือพาวเวอร์ซัพพลายที่มีอยู่ซึ่งรวมถึง LTpowerCAD และ LTspice มีความสำคัญในกระบวนการออกแบบพลังงานสำหรับข้อกำหนดที่เข้มงวดดังกล่าว คำแนะนำสุดท้ายเกี่ยวกับการเลือกตัวเก็บประจุอินพุต FPGA เพื่อให้ส่งกระแสขนาดใหญ่ได้อย่างรวดเร็ว มักจะเลือกตัวเก็บประจุแบบเซรามิก พวกเขาทำงานได้ดีสำหรับจุดประสงค์นี้ แต่จำเป็นต้องเลือกเพื่อไม่ให้ค่าความจุที่แท้จริงของพวกเขาลดลงด้วยแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงแบบไบแอส

ฝากข้อความ 

รายการข้อความ