FPGAの電力管理

FPGAアプリケーション向けの優れた電力管理ソリューションの設計については、簡単な作業ではないため、多くの技術的な議論がありました。 このタスクのXNUMXつの側面は、適切なソリューションを見つけて最適な電力管理製品を選択することです。もうXNUMXつの側面は、FPGAで使用するために実際のソリューションを最適化する方法です。 適切な電源ソリューションを見つけるFPGAに電力を供給するための最良のソリューションを見つけることは簡単ではありません。 多くのベンダーは、FPGAに電力を供給するのに適した特定の製品を販売しています。 FPGAへの電力供給に固有のDC-DCコンバータの選択を行う理由は何ですか？ あまりない。 一般に、すべての電力変換器を使用してFPGAに電力を供給することができます。 特定の製品の推奨事項は、通常、FPGAコア、I / O、場合によってはDDRメモリ終端用の追加レールなど、多くのFPGAアプリケーションが複数の電圧レールを必要とするという事実に基づいています。 多くの場合、複数のDC-DCコンバーターがすべてXNUMXつの単一レギュレーターチップに統合されているPMIC（電力管理集積回路）が好まれます。 特定のFPGAに電力を供給するための優れたソリューションを見つける一般的な方法のXNUMXつは、多くのFPGAベンダーが提供する既存の電力管理リファレンスデザインを使用することです。 これは、最適化された設計の良い出発点です。 ただし、FPGAを搭載したシステムでは通常、追加の電圧レールと負荷が必要であり、これらにも電力を供給する必要があるため、このような設計の変更が必要になることがよくあります。 多くの場合、リファレンスデザインへの追加も必要です。 考慮すべきもうXNUMXつの点は、FPGAの入力パワーが固定されていないことです。 入力電圧は、実際のロジックレベルとFPGAが実装しているデザインに大きく依存します。 電力管理リファレンスデザインの変更が完了すると、リファレンスデザインの元の提案とは異なって見えます。 最善の解決策は、電力管理のリファレンスデザインに煩わされることなく、アナログ・デバイセズのLTpowerCADなどの電力管理の選択および最適化ツールに必要な電圧レールと電流を直接入力することであると主張できます。 図1。 FPGAに電力を供給するための適切なDC-DCコンバーターを選択するためのLTpowerCADツール。 LTpowerCADを使用して、個々の電圧レール用の電源ソリューションを考え出すことができます。 また、リファレンスデザインのコレクションを提供し、設計者に良い出発点を提供します。 LTpowerCADは、アナログ・デバイセズのWebサイトから無料でダウンロードできます。 電力アーキテクチャと個々の電圧変換器を選択したら、適切な受動部品を選択して電源を設計する必要があります。 これを行うときは、FPGAの特別な負荷要件を念頭に置く必要があります。 個々の電流要件電圧レールシーケンス電圧レールの単調な上昇高速電力過渡電圧精度個々の電流要件FPGAの実際の消費電流は、ユースケースに大きく依存します。 異なるクロッキングと異なるFPGAコンテンツには、異なる量の電力が必要です。 このため、一般的なFPGAデザインの最終的な電源仕様は、FPGAシステムのデザインプロセス中に変更されることになります。 FPGAメーカーは、ソリューションに必要な電力レベルの種類を計算するのに役立つ電力見積もりツールを提供しています。 この情報は、実際のハードウェアを構築する前に知っておくと非常に役立ちます。 それでも、FPGAの設計は、このような電力推定器で意味のある結果を得るには、最終的なもの、または少なくとも最終的なものに近いものである必要があります。 多くの場合、エンジニアは最大のFPGA電流を念頭に置いて電源を設計します。 次に、実際のFPGAデザインで必要な電力が少ないことが判明した場合は、電源をスケールダウンします。 電圧レールシーケンス多くのFPGAは、特定のシーケンスで起動するために異なる電源電圧レールを必要とします。 多くの場合、I / O電圧が上昇する前にコア電圧を供給する必要があります。 そうしないと、一部のFPGAが損傷します。 これを回避するには、電源装置を正しい順序でシーケンスする必要があります。 シンプルなアップシーケンスは、標準のDC-DCコンバータのイネーブルピンを使用して簡単に実行できます。 ただし、通常、制御されたダウンシーケンスも必要です。 イネーブルピンシーケンスのみが実行された場合、良好な結果を達成することは困難です。 より良い解決策は、ADP5014などの高度な統合シーケンス機能を備えたPMICを使用することです。 調整可能なアップおよびリバースオーダーのダウンシーケンスを可能にする特別な回路ブロックは、図2に赤で示されています。 図2。 柔軟なアップシーケンスとダウンシーケンスの統合サポートを備えたADP5014PMIC。 図3は、このデバイスで実行されたシーケンスを示しています。 アップシーケンスとダウンシーケンスの時間遅延は、ADP5014の遅延（DL）ピンで簡単に調整できます。 個別の電源を使用する場合は、追加のシーケンスチップで必要なオン/オフシーケンスを処理できます。 一例として、LTC2924があります。これは、DC / DCコンバータのイネーブルピンを制御して電源をオン/オフするか、ハイサイドNチャネルMOSFETを駆動してFPGAを特定の電圧レールに取り付けたり取り外したりすることができます。 図3。 複数のFPGA電源電圧の起動およびシャットダウンシーケンス。 電圧レールの単調な上昇電圧シーケンスに加えて、起動中の電圧の単調な上昇も必要になる場合があります。 これは、図4の電圧Aに示すように、電圧が直線的にのみ上昇することを意味します。 このプロットの電圧Bは、単調に上昇しない電圧の例を示しています。 これは、起動時に負荷が特定の電圧レベルで大電流を引き始めたときに発生する可能性があります。 これを防ぐXNUMXつの方法は、電源のソフトスタートを長くし、大量の電流をすばやく供給できる電力変換器を選択することです。 図4。 電圧Aは単調に上昇し、電圧Bは単調に上昇しません。 高速パワートランジェントFPGAのもうXNUMXつの特徴は、FPGAが非常に迅速に大電流を流し始めることです。 これらは、電源に高い負荷過渡を引き起こします。 このため、多くのFPGAは広範な入力電圧デカップリングを必要とします。 セラミックコンデンサは、デバイスのVCOREピンとGNDピンの間に非常に密接に使用されています。 1mFまでの値は非常に一般的です。 このような高い静電容量は、非常に高いピーク電流を供給するために電源への需要を減らすのに役立ちます。 ただし、多くのスイッチングレギュレータとLDOには、最大出力容量が指定されています。 FPGAの入力容量要件は、電源の最大許容出力容量を超える可能性があります。 電源は、起動時にこのコンデンサバンクがスイッチングレギュレータへの出力の短絡のように見えるため、巨大な出力コンデンサを好みません。 この問題には解決策があります。 ソフトスタート時間が長いと、電源が短絡電流制限モードになることなく、大きなコンデンサバンクの電圧が確実に上昇する可能性があります。 図5。 多くのFPGAの入力コンデンサ要件。 一部の電力変換器が過剰な出力容量を好まないもうXNUMXつの理由は、この容量値がレギュレーションループの一部になるためです。 ループ補償が統合されたコンバータは、レギュレータのループの不安定性を防ぐために過剰な出力容量を許容しません。 多くの場合、図6に示すように、ハイサイドフィードバック抵抗の両端のフィードフォワード容量を使用して制御ループに影響を与える方法があります。 図6。 ループ補償ピンが使用できない場合に制御ループ調整を可能にするフィードフォワードコンデンサ。 電源の負荷過渡および起動動作には、LTpowerCAD、特にLTspiceを含む開発ツールチェーンが非常に役立ちます。 モデリングとシミュレーションに適した効果のXNUMXつは、FPGAの大きな入力コンデンサが電源の出力コンデンサから分離されることです。 図6に、この概念を示します。 POL（ポイントオブロード）電源は負荷の近くに配置される傾向がありますが、多くの場合、電源とFPGA入力コンデンサの間にPCBトレースがあります。 ボード上に複数のFPGA入力コンデンサが隣接している場合、電源から最も離れているコンデンサは、抵抗があるだけでなく、それらの間に寄生トレースインダクタンスがあるため、電源の伝達関数への影響は小さくなります。 。 これらの寄生ボードインダクタンスにより、すべてのコンデンサがボード上の同じノードに接続されている場合でも、FPGAの入力容量を電源の出力容量の最大制限よりも大きくすることができます。 LTspiceでは、寄生トレースインダクタンスを回路図に追加して、そのような影響をモデル化できます。 適切な寄生成分が回路モデリングに含まれている場合、シミュレーション結果は現実に近くなります。 図7。 電源出力コンデンサとFPGA入力コンデンサ間の寄生デカップリング。 電圧精度FPGA電源の電圧精度は、通常、非常に高い必要があります。 わずか3％の変動許容範囲が非常に一般的です。 たとえば、StratixVコアレールを0.85％の電圧精度ウィンドウ内で3 Vに維持するには、わずか25.5mVの完全な許容帯域が必要です。 この小さなウィンドウには、負荷過渡後の電圧変動とDC精度が含まれます。 繰り返しになりますが、LTpowerCADやLTspiceを含む利用可能な電源ツールチェーンは、このような厳しい要件の電力設計プロセスに不可欠です。 最後のアドバイスは、FPGA入力コンデンサの選択に関するものです。 それらが大電流を迅速に供給するために、セラミックコンデンサが通常選択されます。 これらはこの目的にはうまく機能しますが、真の静電容量値がDCバイアス電圧によって低下しないように選択する必要があります。

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