Эталонные проекты упрощают управление питанием FPGA

Устройства, оснащенные ИС управления питанием (PMIC), как правило, умнее и эффективнее, поскольку они регулируют поток энергии изнутри и снаружи устройства. PMIC помогают этим устройствам более эффективно использовать электроэнергию, продлевая срок их службы. Поэтому потребность в таких компонентах быстро растет.

Одним из наиболее важных факторов в системе на основе FPGA является управление питанием. Питание FPGA требует тщательного анализа системы, и тот же метод почти всегда можно использовать для ASIC.

Инженеры тратят большую часть своего времени на программирование и не хотят тратить время и энергию на размышления о разработке правильных источников питания. Фактически, лучший подход к доставке энергии - это использовать надежную, гибкую и протестированную конструкцию, которая соответствует требованиям и может масштабироваться вместе с конструкцией.

Напряжение, подаваемое на ядро ​​FPGA, подвержено большим колебаниям тока, характеризующимся чрезвычайно высокой скоростью нарастания напряжения. Для этого требуется, чтобы контроллер мог подавать ток в нагрузку с минимальным изменением выходного напряжения.

Несколько шин питания, последовательность включения питания, жесткие допуски, переходные характеристики, надежность системы, общая стоимость решения и размер - это вещи, которые беспокоят разработчиков при включении FPGA. Один из способов решения этих проблем - использовать эталонный дизайн.

Совсем недавно Renesas Electronics выпустила три эталонных проекта PMIC для питания нескольких шин питания ПЛИС Xilinx. Эталонные конструкции позволяют легко управлять питанием шины в системах Xilinx Artix-7 FPGA, Spartan-7 FPGA и Zynq-7000 SoC. Решения Renesas, основанные на многофазных PMIC, предлагают простые в использовании решения под ключ, которые позволяют одному проекту поддерживать различные степени скорости Xilinx и типы памяти DDR, такие как DDR3, DDR3L, DDR4, LPDDR2 и LPDDR3. / P>

Три эталонных дизайна - ISL91211A-BIK-REFZ, ISL91211A-BIK-REFZ и ISL91211AIK-REFZ - основаны на PMIC Renesas ISL91211AIK и ISL91211BIK в пакетах BGA.

Плата эталонного дизайна ISL91211A-BIK-REFZ для устройств Artix-7 использует многофазные PMIC ISL91211AIK и ISL91211BIK, синхронный понижающий преобразователь постоянного тока в постоянный ISL80030 3-A и опорное напряжение микромощности ISL21010DFH312. PMIC обеспечивают эффективность до 95% для нескольких шин питания и принимают входное напряжение 5 В от подключаемого адаптера переменного / постоянного тока или источника питания постоянного тока. ISL80030 поддерживает VCCO и VCC_IO для 3,3 В, 2,5 В и 1,8 В, а ISL21010DFH312 предназначен для входного напряжения XADC 1,25 В с точностью ± 0,2%.

Плата эталонного дизайна ISL91211BIK-REF2Z для устройств Spartan-7 использует многофазный PMIC ISL91211BIK и синхронный понижающий DC / DC преобразователь ISL80030 3-A. ISL91211BIK требуется для VCCINT, VCCBRAM, VCC_DDR, VCCAUX и VTT, и он принимает входное напряжение 5 В от подключаемого адаптера переменного / постоянного тока или источника питания постоянного тока. Преобразователь постоянного тока в постоянный ISL80030 поддерживает VCCO и VCC_IO для шин напряжением 3,3, 2,5 и 1,8 В.

Рис. 1. Эталонный дизайн для Spartan 7 (Изображение:Renesas)

Плата эталонного дизайна ISL91211AIK-REFZ для устройств Zynq-7000 использует многофазный PMIC ISL91211AIK, понижающий стабилизатор ISL9123 с низким Iq и два синхронных понижающих преобразователя постоянного тока в постоянный ISL80030 3-A. ISL91211AIK требуется для VCCINT, VCCBRAM, VCC_DDR и VCCAUX. ISL9123 питает шину питания VTT, а два преобразователя постоянного / постоянного тока ISL80030 поддерживают VCCO и VCC_IO для шин напряжением 3,3, 2,5 и 1,8 В.

Решения могут обеспечивать общий выходной ток до 20 А и оснащены независимым динамическим масштабированием напряжения, что эффективно ускоряет разработку источников питания для различных промышленных приложений, таких как управление двигателями, камеры машинного зрения и программируемые логические контроллеры ( ПЛК). Их настроенная обратная связь управления оптимально поддерживает профили нагрузки ПЛИС Xilinx и может внутренне управлять последовательностью включения / выключения без дополнительных алгоритмов. Их также можно использовать в домашних шлюзах и бытовой технике, портативных медицинских устройствах и беспроводном оборудовании.

Применение частоты переключения 2 МГц и быстрой переходной характеристики нагрузки позволяет каждой плате PMIC использовать выходные конденсаторы емкостью 22 мкФ и небольшую катушку индуктивности для уменьшения размера решения. PMIC доступны в корпусах BGA с 35 шариками 4,7 × 6,3 мм и шагом 0,8 мм.

Оба многофазных PMIC предлагают технологию модуляции Renesas R5, которая обеспечивает чрезвычайно быстрые переходные процессы и может динамически изменять выходное напряжение для повышения производительности и эффективности системы. Согласно Renesas, технология контроллера R5 - это запатентованная технология модуляции, которая обеспечивает самый быстрый отклик на изменение условий выходной нагрузки.

Рис. 2. Упрощенная схема технологии Renesas R5 (Изображение:Renesas)

Renesas называет технологию R5 следующим этапом эволюции своего уникального гистерезисного контроллера текущего режима с улучшенной полосой пропускания и более низким Iq, чем в предыдущих реализациях.

Рисунок 3. Эффективность технологии модуляции R5 (Изображение:Renesas)

Модулятор R5 работает с использованием гистерезисного окна и синтетического токового сигнала, обозначенного на рис. 4 как Vcr. Синтетическая рампа представляет собой форму волны индуктора без необходимости прямого измерения тока индуктора.

Рис. 4. Контроллер R5 в переходном состоянии (Изображение:Renesas)

В установившемся режиме окно регулируется с целью обеспечения постоянной частоты переключения с постоянным рабочим циклом. Положение окна позволяет контуру лучше реагировать на динамическую нагрузку, чем схема модуляции с фиксированной частотой. Модулятор R5 увеличивает эффективность нагрузки за счет люфта тока в полевом МОП-транзисторе.

Кроме того, модулятор R5 не полагается на фиксированные часы для установки или сброса импульсов ШИМ. Следовательно, он, конечно, может пропускать импульсы при необходимости. Когда ток нагрузки очень мал, частота переключения контура снижается, что резко снижает потери переключения.

Все платы эталонного дизайна поставляются с руководством пользователя, полной схемой, ведомостью материалов и файлами компоновки печатной платы. Они доступны через дистрибьюторскую сеть Renesas.