Usimamizi wa Nguvu kwa FPGAs

Kumekuwa na mijadala mingi ya kiufundi kuhusu kubuni suluhu nzuri ya usimamizi wa nguvu kwa ajili ya programu ya FPGA, kwani si kazi ndogo. Kipengele kimoja cha kazi hii kinahusisha kutafuta suluhu sahihi na kuchagua bidhaa inayofaa zaidi ya usimamizi wa nguvu, huku nyingine ni jinsi ya kuboresha suluhisho halisi la matumizi na FPGAs. Kupata Suluhu Sahihi la Ugavi wa Nishati Kupata suluhisho bora zaidi la kuwasha FPGA si rahisi. Wachuuzi wengi wanauza baadhi ya bidhaa zinazofaa kuwasha FPGAs. Ni nini hufanya uteuzi wa vigeuzi vya dc-to-dc kuwa maalum kwa kuwezesha FPGA? Si mengi. Kwa ujumla, vibadilishaji nguvu vyote vinaweza kutumika kuwasha FPGA. Mapendekezo ya baadhi ya bidhaa kwa kawaida hutegemea ukweli kwamba programu nyingi za FPGA zinahitaji reli nyingi za volteji, kama vile msingi wa FPGA, I/Os, na ikiwezekana reli ya ziada ya kukatisha kumbukumbu ya DDR. Mara nyingi PMIC (mizunguko iliyounganishwa ya usimamizi wa nguvu), ambapo vibadilishaji vingi vya dc-to-dc vyote vimeunganishwa kwenye chip moja ya kidhibiti, hupendekezwa. Njia moja maarufu ya kupata suluhisho zuri la kuwezesha FPGA mahususi ni kutumia miundo ya kumbukumbu ya usimamizi wa nguvu iliyopo, ambayo wachuuzi wengi wa FPGA hutoa. Hii ni mahali pazuri pa kuanzia kwa muundo ulioboreshwa. Walakini, marekebisho ya miundo kama hiyo mara nyingi ni muhimu, kwani mfumo ulio na FPGA kawaida unahitaji reli za ziada za voltage na mizigo ambayo pia inahitaji kuwashwa. Nyongeza kwa muundo wa kumbukumbu pia mara nyingi ni muhimu. Jambo lingine la kuzingatia ni kwamba nguvu ya pembejeo ya FPGA haijasanikishwa. Voltage ya pembejeo inategemea sana viwango vya mantiki halisi na muundo ambao FPGA inatekeleza. Baada ya kukamilisha urekebishaji wa muundo wa marejeleo wa usimamizi wa nishati, itaonekana tofauti na pendekezo asili la muundo wa marejeleo. Mtu anaweza kusema kuwa suluhu bora ni kutojisumbua hata na muundo wa marejeleo ya usimamizi wa nguvu, lakini kuingiza reli na mikondo ya voltage inayohitajika moja kwa moja kwenye uteuzi wa usimamizi wa nishati na zana ya uboreshaji kama vile LTpowerCAD kutoka kwa Vifaa vya Analogi. Kielelezo 1. Zana ya LTpowerCAD ya kuchagua vigeuzi sahihi vya dc-to-dc ili kuwasha FPGA. LTpowerCAD inaweza kutumika kupata suluhisho la nguvu kwa reli za voltage za kibinafsi. Pia hutoa mkusanyiko wa miundo ya kumbukumbu, kutoa wabunifu kwa hatua nzuri ya kuanzia. LTpowerCAD inaweza kupakuliwa bila malipo kutoka kwa tovuti ya Vifaa vya Analogi. Mara tu usanifu wa nguvu na vibadilishaji vya voltage ya mtu binafsi vimechaguliwa, tunahitaji kuchagua vipengele vinavyofaa vya passiv na kubuni usambazaji wa umeme. Wakati wa kufanya hivi tunahitaji kuzingatia mahitaji maalum ya mzigo wa FPGAs. Haya ni: Mahitaji ya sasa ya mtu binafsi Mpangilio wa reli ya voltage Kupanda kwa reli za voltage Monotonic ya reli za voltage Vipitisho vya nguvu za haraka Usahihi wa Voltage Mahitaji ya Sasa ya Mtu Binafsi Matumizi halisi ya sasa ya FPGA yoyote inategemea pakubwa juu ya kesi ya matumizi. Saa tofauti na maudhui tofauti ya FPGA yanahitaji kiasi tofauti cha nishati. Kwa sababu hii, vipimo vya mwisho vya usambazaji wa nishati kwa muundo wa kawaida wa FPGA ni lazima kubadilika wakati wa mchakato wa muundo wa mfumo wa FPGA. Watengenezaji wa FPGA hutoa zana za kukadiria nguvu zinazosaidia kukokotoa aina ya kiwango cha nishati ambacho suluhisho litahitaji. Habari hii ni muhimu sana kuwa nayo kabla ya vifaa halisi kujengwa. Bado, muundo wa FPGA unahitaji kuwa wa mwisho, au angalau karibu na wa mwisho, ili kupata matokeo ya maana na wakadiriaji wa nguvu kama hao. Mara nyingi, wahandisi huunda usambazaji wa nguvu kwa kuzingatia upeo wa sasa wa FPGA. Halafu, ikiwa inabadilika kuwa muundo halisi wa FPGA unahitaji nguvu kidogo, wanapunguza usambazaji wa umeme. Mpangilio wa Reli ya Voltage FPGA nyingi zinahitaji reli tofauti za ugavi ili kuja katika mlolongo maalum. Mara nyingi voltage ya msingi inahitaji kutolewa kabla ya voltages za I/O kuja. Vinginevyo baadhi ya FPGA zitaharibika. Ili kuepuka hili, usambazaji wa umeme unahitaji kupangwa kwa utaratibu sahihi. Mpangilio rahisi wa juu unaweza kufanywa kwa urahisi kwa kutumia pini za kuwezesha kwenye vigeuzi vya kawaida vya dc-to-dc. Walakini, mpangilio wa chini unaodhibitiwa pia unahitajika. Ni vigumu kufikia matokeo mazuri wakati tu kuwezesha mpangilio wa pini unafanywa. Suluhisho bora ni kutumia PMIC iliyo na vipengele vya juu vya mpangilio vilivyounganishwa, kama vile ADP5014. Kizuizi maalum cha mzunguko ambacho huwezesha mpangilio wa juu na wa nyuma wa mpangilio wa chini unaoweza kubadilishwa umeonyeshwa kwa rangi nyekundu kwenye Mchoro 2. Kielelezo 2. ADP5014 PMIC yenye usaidizi uliojumuishwa wa mpangilio rahisi wa juu na chini. Mchoro wa 3 unaonyesha mpangilio uliofanywa na kifaa hiki. Ucheleweshaji wa muda wa kupanga juu na chini unaweza kurekebishwa kwa urahisi kwa pini za kuchelewa (DL) kwenye ADP5014. Ikiwa vifaa vya nguvu vya mtu binafsi vinatumiwa, chip ya ziada ya mpangilio inaweza kutunza mpangilio unaohitajika wa kuwasha/kuzima. Mfano mmoja ni LTC2924, ambayo inaweza kudhibiti kuwezesha pini za vigeuzi vya dc-to-dc kuwasha na kuzima vifaa vya umeme au inaweza kuendesha MOSFET za upande wa juu za N ili kuambatisha na kutenganisha FPGA kwenye reli fulani ya volteji. Kielelezo 3. Mpangilio wa kuanza na kuzima kwa voltages nyingi za usambazaji za FPGA. Kupanda kwa Monotonic kwa Reli za Voltage Kando na mpangilio wa voltage, kupanda kwa monotoni kwa voltages wakati wa kuwasha kunaweza pia kuhitajika. Hii ina maana kwamba voltage itapanda tu kwa mstari, kama inavyoonyeshwa na Voltage A katika Mchoro 4. Voltage B katika njama hii inaonyesha mfano wa voltage isiyopanda monotonically. Hii inaweza kutokea wakati mzigo unapoanza kuvuta mikondo mikubwa kwa kiwango fulani cha voltage wakati wa kuanza. Njia moja ya kuzuia hili ni kuruhusu kuanza kwa laini kwa muda mrefu wa usambazaji wa nishati na kuchagua vibadilishaji vya nguvu ambavyo vinaweza kusambaza kwa haraka kiasi kikubwa cha sasa. Kielelezo 4. Voltage A kupanda monotonically, na Voltage B si kupanda monotonically. Upitishaji wa Nishati Haraka Sifa moja nyingine ya FPGA ni kwamba FPGAs huanza kuchora mikondo ya juu haraka sana. Wanasababisha mizigo ya juu ya muda mfupi kwenye usambazaji wa umeme. Kwa sababu hii, FPGA nyingi zinahitaji utenganishaji mkubwa wa voltage ya pembejeo. Capacitors ya kauri hutumiwa kwa karibu sana kati ya VCORE na pini za GND za kifaa. Thamani hadi 1 mF ni ya kawaida kabisa. Uwezo huo wa juu husaidia kupunguza mahitaji ya vifaa vya umeme ili kutoa mikondo ya kilele cha juu sana. Hata hivyo, vidhibiti vingi vya kubadili na LDO vina uwezo wa juu wa pato uliobainishwa. Mahitaji ya uwezo wa pembejeo wa FPGA yanaweza kuzidi kiwango cha juu kinachoruhusiwa cha uwezo wa usambazaji wa umeme. Vifaa vya nguvu hazipendi capacitors kubwa za pato kwani, wakati wa kuanza, benki hii ya capacitor inaonekana kama mzunguko mfupi kwenye pato kwa kidhibiti cha kubadili. Kuna suluhisho kwa shida hii. Muda mrefu wa kuanza kwa laini unaweza kuruhusu voltage kwenye benki kubwa ya capacitor kuja kwa uhakika bila usambazaji wa umeme kwenda katika hali ya kikomo cha mzunguko mfupi wa sasa. Kielelezo 5. Mahitaji ya capacitor ya kuingiza ya FPGA nyingi. Sababu nyingine kwa nini vibadilishaji nguvu vingine havipendi uwezo wa pato kupita kiasi ni kwamba thamani hii ya uwezo inakuwa sehemu ya kitanzi cha udhibiti. Vigeuzi vilivyo na fidia ya kitanzi vilivyojumuishwa haviruhusu uwezo mwingi wa pato ili kuzuia kuyumba kwa kitanzi cha kidhibiti. Mara nyingi kuna njia za kuathiri kitanzi cha udhibiti kwa kutumia uwezo wa kusambaza majibu kwenye kipinga maoni cha upande wa juu, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 6. Kielelezo 6. Lisha kipinishi cha mbele ili kuruhusu urekebishaji wa kitanzi wakati hakuna pini ya fidia ya kitanzi inayopatikana. Kwa tabia ya muda mfupi ya upakiaji na uanzishaji wa usambazaji wa nishati, mnyororo wa zana za ukuzaji ikijumuisha LTpowerCAD na haswa LTspice inasaidia sana. Athari moja ambayo inajitolea vizuri kwa uundaji wa mfano na uigaji ni kuunganishwa kwa capacitors kubwa za pembejeo za FPGA kutoka kwa capacitors za pato za usambazaji wa nguvu. Kielelezo cha 6 kinaonyesha dhana hii. Wakati usambazaji wa umeme wa POL (point-of-load) huwa uko karibu na mzigo, mara nyingi kuna ufuatiliaji wa PCB kati ya usambazaji wa nishati na capacitor ya ingizo ya FPGA. Wakati kuna vidhibiti vingi vya pembejeo vya FPGA karibu na kila kimoja kwenye ubao, zile ambazo ziko mbali zaidi na usambazaji wa umeme zitakuwa na athari ndogo katika kazi ya uhamishaji ya vifaa vya nguvu, kwa kuwa kuna upinzani fulani lakini pia uingizaji wa ufuatiliaji wa vimelea kati yao. . Inductances hizi za bodi ya vimelea zinaweza kuruhusu uwezo wa pembejeo wa FPGA kuwa mkubwa kuliko upeo wa juu wa uwezo wa pato wa usambazaji wa nguvu, ingawa capacitors zote zimeunganishwa kwenye nodi sawa kwenye ubao. Katika LTspice, inductances ya kufuatilia vimelea inaweza kuongezwa kwa schematic na athari kama hizo zinaweza kuigwa. Matokeo ya kuiga yanakaribia ukweli wakati vipengele vya kutosha vya vimelea vinajumuishwa katika mfano wa mzunguko. Kielelezo 7. Kutenganisha vimelea kati ya capacitors pato la usambazaji wa nishati na capacitors za pembejeo za FPGA. Usahihi wa Voltage Usahihi wa voltage ya usambazaji wa umeme wa FPGA kwa kawaida unahitaji kuwa juu kabisa. Bendi ya kuvumiliana tofauti ya 3% tu ni ya kawaida kabisa. Kwa mfano, kuweka reli ya msingi ya Stratix V kwa 0.85 V ndani ya dirisha la usahihi wa voltage 3% kunahitaji bendi kamili ya uvumilivu ya 25.5 mV pekee. Dirisha hili ndogo linajumuisha tofauti ya voltage baada ya muda mfupi wa mzigo, pamoja na usahihi wa dc. Tena, msururu wa zana unaopatikana wa ugavi wa umeme ikijumuisha LTpowerCAD na LTspice ni muhimu katika mchakato wa kubuni nishati kwa mahitaji hayo makali. Ushauri mmoja wa mwisho ni kuhusu uteuzi wa capacitors za pembejeo za FPGA. Kwao kwa haraka kutoa mikondo kubwa, capacitors kauri kawaida huchaguliwa. Wanafanya kazi vizuri kwa kusudi hili, lakini wanahitaji kuchaguliwa ili thamani yao ya kweli ya capacitance haina kushuka kwa voltage ya upendeleo wa dc.

Acha ujumbe 

Orodha ujumbe