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FPGA的电源管理不简单,五个设计死角一定不可忽视

模拟对话 2018-03-16 11:57 次阅读

关于为FPGA应用设计优秀的电源管理解决方案已经有许多技术讨论,因为这不是一项简单的任务。此任务的一个方面涉及找到合适的解决方案并选择最合适的电源管理产品,另一方面则是如何优化用于FPGA的实际解决方案。

寻找合适的电源解决方案

寻找功率FPGA最佳解决方案并非易事。许多供应商推销某些适用于FPGA的产品。什么使得选择专门为FPGA供电的DC-DC转换器?不多。一般而言,所有功率转换器都可用于为FPGA供电。针对某些产品的建议通常基于以下事实:许多FPGA应用需要多个电压轨,例如用于FPGA内核,I / O以及用于DDR存储器终端的附加轨道。通常将PMIC(电源管理集成电路)(其中多个DC-DC转换器全部集成到单个调节器芯片中)为首选。

一种寻找为特定FPGA供电的良好解决方案的流行方式是使用许多FPGA供应商提供的预先存在的电源管理参考设计。这是优化设计的一个很好的起点。然而,这种设计的修改往往是必要的,因为带有FPGA的系统通常需要额外的电压轨和负载,这些电源轨也需要供电。对参考设计的补充通常也是必要的。需要考虑的另一件事是FPGA的输入功率不是固定的。输入电压很大程度上取决于实际的逻辑电平以及FPGA正在实施的设计。完成对电源管理参考设计的修改后,它将与参考设计的原始建议看起来有所不同。

图1图1. LTpowerCAD工具选择合适的DC-DC转换器来为FPGA供电。

LTpowerCAD可用于为各个电压轨提供电源解决方案。它还提供了一系列参考设计,为设计人员提供了一个很好的起点。可从ADI公司网站免费下载LTpowerCAD。

一旦选择了电源架构和单个电压转换器,我们就需要选择合适的无源元件并设计电源。当这样做时,我们需要牢记FPGA的特殊负载要求。

这些是:

个人目前的要求

电压轨排序

电压轨的单调上升

快速功率瞬态

电压准确度

个人电流要求

任何FPGA的实际电流消耗在很大程度上取决于用例。不同的时钟和不同的FPGA内容需要不同的功率。因此,在FPGA系统设计过程中,典型FPGA设计的最终电源规格必然会发生变化。FPGA制造商提供的功耗估算工具有助于计算解决方案所需的功率级别。在构建实际硬件之前,这些信息非常有用。尽管如此,FPGA的设计需要是最终的,或者至少接近最终的,以便利用这种功率估计器获得有意义的结果。

通常情况下,工程师会考虑最大的FPGA电流来设计电源。然后,如果事实证明,实际的FPGA设计需要更少的功率,它们会缩减电源。

电压轨序列

许多FPGA需要不同的电源电压轨才能以特定的顺序出现。在I / O电压上升之前,通常需要提供内核电压。否则一些FPGA将被损坏。为了避免这种情况,电源需要按正确的顺序排序。通过使用标准DC-DC转换器上的使能引脚,可以轻松完成简单的上电顺序。但是,通常还需要控制降序测序仅启用引脚排序时,很难取得好的结果。更好的解决方案是使用具有高级集成式排序功能的PMIC,例如ADP5014图2中以红色表示可启动可逆向逆序排列的特殊电路模块。

图2图2. ADP5014 PMIC,集成了对灵活的上行和下行排序的支持。

图3显示了使用此设备完成的排序。ADP5014上的延迟(DL)引脚可以轻松调整上行和下行时序的时间延迟。

如果使用单独的电源,附加的测序芯片可以负责所需的开/关顺序。LTC2924就是一个例子,它可以控制DC-DC转换器的使能引脚来打开和关闭电源,或者它可以驱动高端N沟道MOSFET来连接和分离FPGA到某个电压轨。

图3图3.多个FPGA电源电压的启动和关闭顺序。

电压轨的单调上升

除了电压排序之外,启动过程中电压的单调上升也可能是必要的。这意味着电压只会线性上升,如图4中的电压A所示。此图中的电压B显示电压不是单调上升的示例。当负载在启动过程中开始以一定的电压电平拉动大电流时会发生这种情况。防止这种情况的一种方法是允许更长时间的电源软启动并选择能够快速提供大量电流的电源转换器。

图4图4.电压A单调上升,电压B不单调上升。

快速功率瞬变

FPGA的另一个特点是FPGA非常迅速地开始绘制高电流。它们在电源上造成高负载瞬态。出于这个原因,许多FPGA需要大量的输入电压去耦。陶瓷电容器在V CORE和器件的GND引脚之间使用非常紧密高达1 mF的值非常普遍。这种高电容有助于减少对电源的需求,以提供非常高的峰值电流。但是,许多开关稳压器和LDO具有指定的最大输出电容FPGA的输入电容要求可能超过电源允许的最大输出电容。

电源不喜欢巨大的输出电容,因为在启动期间,该电容组看起来像是开关稳压器输出端的短路有这个问题的解决方案。长时间的软启动时间可以使大电容器组上的电压稳定地升高,而无需电源进入短路电流限制模式。

图5图5.许多FPGA的输入电容要求。

某些电源转换器不喜欢过度输出电容的另一个原因是该电容值成为调节环路的一部分。集成环路补偿的转换器不允许输出电容过大,以防止稳压器的环路不稳定。如图6所示,通常可以通过使用高端反馈电阻上的前馈电容来影响控制环路。

图6图6.前馈电容允许在没有环路补偿引脚可用时进行控制环路调整。

对于电源的负载瞬态和启动行为,包括LTpowerCAD,尤其是LTspice的开发工具链非常有用。一种有助于建模和仿真的效果是将FPGA的大输入电容与电源的输出电容去耦。图6显示了这个概念。虽然POL(负载点)电源趋向于位于负载附近,但通常在电源和FPGA输入电容之间存在一些PCB走线。电路板上有多个彼此相邻的FPGA输入电容器时,离电源最远的那些输入电容器对电源的传输功能的影响较小,因为它们之间存在一些电阻,但也会有寄生线迹电感这些寄生电路板电感可以允许FPGA的输入电容大于电源输出电容的最大极限,即使所有电容连接到电路板上的同一节点。在LTspice中,寄生曲线电感可以添加到原理图中,并且可以模拟这些影响。当电路建模中包含足够的寄生元件时,仿真结果接近实际。

图7图7.电源输出电容和FPGA输入电容之间的寄生去耦。

电压准确度

FPGA电源的电压精度通常需要非常高。只有3%的变化容差带是相当普遍的。例如,在3%的电压精度窗口内保持Stratix V内核电源电压为0.85 V,就需要一个仅为25.5 mV的完整容限。这个小窗口包括负载瞬变后的电压变化以及直流精度。同样,包括LTpowerCAD和LTspice在内的可用电源工具链在电源设计过程中对于严格的要求至关重要。

最后一条建议是关于选择FPGA输入电容器。为了快速提供大电流,通常选择陶瓷电容器。他们为此目的很好地工作,但他们需要被选择,以便他们的真实电容值不会随直流偏置电压下降。一些陶瓷电容器,尤其是Y5U类型的陶瓷电容器,当其直流电压偏置到最大额定直流电压时,它们的真实电容值只会降低到标称面值的20%。

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尽管现代FPGA包含内部存储器,但可用存储器的数量始终比专用存储器芯片的存储器数量级低几个数量级。因....
发表于 05-19 17:35 63次 阅读
支持Xilinx FPGA中的32位 DDR4 SDRAM

英特尔AGILEX FPGA如何与CXL实现相互相容

自从英特尔几年前以167亿美元的价格收购Altera以来,FPGA产品组合的推出基本上是英特尔时代之....
发表于 05-19 10:46 404次 阅读
英特尔AGILEX FPGA如何与CXL实现相互相容

基于EP2C8Q208和TMS320VC5416芯片实现高速数据采集卡的设计

当前,许多领域越来越多地要求具有高精度A/D转换和实时处理功能。同时,市场对支持更复杂的显示和通信接....
发表于 05-19 10:11 200次 阅读
基于EP2C8Q208和TMS320VC5416芯片实现高速数据采集卡的设计

关于低功耗FPGA的8b/10b SERDES的接口设计解析

串行接口常用于芯片至芯片和电路板至电路板之间的数据传输。随着系统带宽不断增加至多吉比特范围,并行接口....
发表于 05-18 10:51 126次 阅读
关于低功耗FPGA的8b/10b SERDES的接口设计解析

美高森美和Athena宣布为加密用户提供DPA防御对策的FPGA

现已提供功能强大的防篡改安全微控制器技术,作为用于SmartFusion2和 IGLOO2 FPGA....
发表于 05-15 10:56 265次 阅读
美高森美和Athena宣布为加密用户提供DPA防御对策的FPGA

如何使用FPGA实现高性能程控数字移相器的设计

数字移相器是利用锁相环,将输出信号频率设置为输入信号频率的 360 倍,通过数值比较器、计数器进行移....
发表于 05-15 08:00 60次 阅读
如何使用FPGA实现高性能程控数字移相器的设计

ALTERA FPGA PCIE的设计指导教程

PCI Express高性能参考设计突出了Altera@PCI Express MegaCore的硬....
发表于 05-14 17:51 68次 阅读
ALTERA FPGA PCIE的设计指导教程

阿里巴巴携手英特尔开发一款基于FPGA的解决方案

通过使用英特尔® Arria® 10 FPGA、基于英特尔® 至强® 处理器的服务器及软件开发工具构....
发表于 05-14 10:53 114次 阅读
阿里巴巴携手英特尔开发一款基于FPGA的解决方案

在FPGA中处理AI/ML工作负载的新块浮点运算单元

FPGA是一种半定制电路,主要应用于专用集成电路,在航空航天/国防、消费电子、电子通讯等领域有着不可....
发表于 05-13 11:06 278次 阅读
在FPGA中处理AI/ML工作负载的新块浮点运算单元

Verilog硬件描述语言的基础知识详细讲解

Verilog是硬件描述语言,在编译下载到FPGA之后,会生成电路,所以Vreilog是并行运行的;....
发表于 05-13 08:00 40次 阅读
Verilog硬件描述语言的基础知识详细讲解

电子信息工程在工业领域有什么样的应用现在是什么现状

目前电子信息工程在我国仍算是一门新兴产业。但近年来电子信息产业的发展速度还是很可观的,并且在我国所占....
发表于 05-13 08:00 70次 阅读
电子信息工程在工业领域有什么样的应用现在是什么现状

FPGA运算单元技术创新可支持高算力浮点

随着机器学习(Machine Learning)领域越来越多地使用现场可编程门阵列(FPGA)来进行....
发表于 05-12 10:46 94次 阅读
FPGA运算单元技术创新可支持高算力浮点

使用FPGA实现直流伺服电机控制器的设计资料说明

利用 VHDL 硬件描述语言在 FPGA 中设计直流伺服电机控制器。其含 4 路 PWM 控制器,每....
发表于 05-11 08:00 59次 阅读
使用FPGA实现直流伺服电机控制器的设计资料说明

FPGA或SoC电源的应用中的集成柔性功率器件使用

使用四个独立的器件为这个系统供电:两个LP3982 300mA单通道LDO和两个TLV62084 2....
发表于 05-10 12:03 389次 阅读
FPGA或SoC电源的应用中的集成柔性功率器件使用

英特尔构建智慧云基石,推动企业在数字经济时代前进

“后新冠时代”,在线(云)上,人与人的交流变得更加容易。4月底,“英特尔构建智慧云基石”线上沙龙如约....
的头像 牵手一起梦 发表于 05-09 14:46 1471次 阅读
英特尔构建智慧云基石,推动企业在数字经济时代前进

MathWorks在FPGA和ASIC上成功实现自动化视觉系统设计

MathWorks宣布,随着 2019b 发行版的 MATLAB 和 Simulink 产品系列最近....
发表于 05-09 10:55 87次 阅读
MathWorks在FPGA和ASIC上成功实现自动化视觉系统设计

DIC EXPO国际显示展特约专题丨时移世易 显示行业以变应变

背景介绍 视频处理是人工智能应用中的一个重要方向,对于一款端上部署的AI加速产品,其视频接入能力是产....
的头像 火花 发表于 05-09 10:04 389次 阅读
DIC EXPO国际显示展特约专题丨时移世易 显示行业以变应变

基于FPGA数据采集电路和USB接口总线实现虚拟数字存储示波器的设计

随着目前科学技术的发展,电子技术的应用领域越来越广。电子测试测量仪器作为电子技术的基础,其应用范围也....
发表于 05-09 09:13 206次 阅读
基于FPGA数据采集电路和USB接口总线实现虚拟数字存储示波器的设计

片上网络技术的发展给FPGA带来了什么优势

在摩尔定律的推动下,集成电路工艺取得了高速发展,单位面积上的晶体管数量不断增加。
发表于 05-08 11:03 528次 阅读
片上网络技术的发展给FPGA带来了什么优势

贸泽备货Microchip Hello FPGA套件,专为FPGA领域经验不足的终端用户而开发

FPGA主板搭载了Microchip PIC32MX7微控制器 ,用于控制SmartFusion2 ....
发表于 05-07 08:48 158次 阅读
贸泽备货Microchip Hello FPGA套件,专为FPGA领域经验不足的终端用户而开发

使用单片机设计简易频谱分析仪的详细资料讲解

本系统基于外差式频谱分析仪的基本原理, 以单片机 89C55为控制核心, 结合高速可编程逻辑器件 F....
发表于 05-07 08:00 74次 阅读
使用单片机设计简易频谱分析仪的详细资料讲解

高云半导体发布新款射频FPGA,可用手机蓝牙编程

由于功耗通常是蓝牙设备的关键考虑因素,高云半导体GW1NRF-4设备包括一个电源管理单元,该单元支持....
发表于 05-06 14:19 377次 阅读
高云半导体发布新款射频FPGA,可用手机蓝牙编程

2D NoC可实现FPGA内部超高带宽的逻辑互连

Achronix 最新基于台积电(TSMC)的7nm FinFET工艺的Speedster7t FP....
发表于 05-04 09:43 89次 阅读
2D NoC可实现FPGA内部超高带宽的逻辑互连

清华大学提出了针对深度学习加速的FPGA虚拟化方案

而如图1 (b) 所示,在私有云的情况下,我们希望使得系统总的性能最优。如果FPGA允许多个用户使用....
的头像 FPGA开发圈 发表于 04-30 16:19 674次 阅读
清华大学提出了针对深度学习加速的FPGA虚拟化方案

FPGA中隐藏了一个安全漏洞

首先,这次研究的是赛灵思的芯片,如果研究的是其他公司的芯片,是不是也有这个问题?肯定会有!因为破解人....
的头像 FPGA开发圈 发表于 04-30 15:49 621次 阅读
FPGA中隐藏了一个安全漏洞

片上网络(NoC)技术的发展及其给高端FPGA带来的优势

在摩尔定律的推动下,集成电路工艺取得了高速发展,单位面积上的晶体管数量不断增加。片上系统(Syste....
发表于 04-30 15:41 996次 阅读
片上网络(NoC)技术的发展及其给高端FPGA带来的优势

FPGA运算单元如今已能够支持高算力浮点

随着机器学习(Machine Learning)领域越来越多地使用现场可编程门阵列(FPGA)来进行....
发表于 04-30 11:31 261次 阅读
FPGA运算单元如今已能够支持高算力浮点

基于FPGA技术实现ADN2850的串口控制设计

数字电位器是利用微电子技术制成的集成电路,它是依靠电阻阵列和多路模拟开关的组合完成阻值的变化。它没有....
发表于 04-30 09:34 282次 阅读
基于FPGA技术实现ADN2850的串口控制设计

实现性能最佳的PLL设计,从电源管理模块入手!

VCO推压的测量方法如下:向VTUNE引脚施加直流调谐电压,改变电源电压并测量频率变化。推压系数是频....
的头像 Excelpoint世健 发表于 04-29 17:11 1127次 阅读
实现性能最佳的PLL设计,从电源管理模块入手!

美乐威采用莱迪思半导体FPGA实现USB视频采集设备

南京美乐威电子科技有限公司(“Magewell”)宣布将发布的多款最新USB 3.0视频采集设备中集....
发表于 04-29 11:24 241次 阅读
美乐威采用莱迪思半导体FPGA实现USB视频采集设备

如何使用FPGA实现数字电压表的设计

:采用 EDA(电子设计自动化)技术和 FPGA(现场可编程门阵列)芯片设计数字电压表。 整个设计采....
发表于 04-28 08:00 101次 阅读
如何使用FPGA实现数字电压表的设计