Основы построения систем питания ПЛИС


Юрий Шаропин, Владимир Будаев

  Источник: Журнал "Компоненты и технологии" 2006 г. №8


    Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), как FPGA, так и CPLD, находят все большее применение в разнообразных областях и решают различные задачи — от простой логики до цифровой обработки сигналов, и поэтому, для их питания требуются различные уровни мощности. В целом, мощность, необходимая для питания ПЛИС, определяется следующими факторами: тип ПЛИС, ее рабочая частота, температура окружающей среды, число задействованных линий ввода-вывода и, конечно, процент используемых ресурсов ПЛИС.

     По большому счету, проектирование источника питания ПЛИС — сложная инженерная задача. Каждая фирма-разработчик ПЛИС публикует соответствующую документацию по построению схем питания своих устройств. Чтобы упростить этот процесс, фирма Xilinx разработала специальное программное средство для оценки мощности потребления ПЛИС — Xilinx Power Estimator [1].

В статье подробно обсуждаются вопросы проектирования систем питания ПЛИС.

      В качестве элементной базы для построения систем питания рассмотрены компоненты фирмы Semtech. Для этих целей компания выпускает широкий спектр интегральных схем (ИС) с уникальными характеристиками, как линейных, так и импульсных. Таким образом, с помощью только стабилизаторов фирмы Semtech можно полностью решить проблему питания любой системы на основе ПЛИС.
Уникальные требования к системе питания ПЛИС

     Основная функция системы управления питанием ПЛИС ясна: обеспечить ПЛИС и сопряженные с ней схемы стабилизированным напряжением во всех режимах работы в точно установленных пределах изменения нагрузки. Но, как правило, достичь этого не так просто, поскольку необходимо учитывать следующие факторы: изменение температуры окружающей среды и тока нагрузки, флуктуацию входного напряжения. К тому же по потребляемой мощности ПЛИС значительно отличаются от других интегральных схем.

     На ПЛИС реализуется неограниченное число всевозможных конфигураций схемы, работающих на разных тактовых частотах и, следовательно, потребляющих разную мощность. А так как исходными данными для проектирования системы питания ПЛИС является потребляемая мощность, разработчик должен иметь максимально четкое представление о проектируемой системе и условиях ее функционирования. Для этого необходимо определить:
тактовую частоту ПЛИС (потребляемая мощность пропорциональна частоте);
количество задействованных ресурсов ПЛИС;
скорость передачи данных, осуществляемых ПЛИС;
наличие конфигурационного перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ);
число необходимых питающих напряжений и отдельных источников питания;
диапазон рабочих температур.



     Кроме того, для построения оптимальной системы питания ПЛИС разработчику предстоит правильно спроектировать топологию печатной платы и заземление всей системы. В общем, данная система питания должна удовлетворять следующим требованиям, которые обсуждаются в примерах применения для ПЛИС [4–9]:
ограничить параметры переходного процесса при включении питания.

    Для этого:
обеспечить значительный ток (1–2 А) при включении питания,
обеспечить монотонность протекания переходного процесса по напряжению питания,
время протекания переходного процесса до номинального значения напряжения не должно быть больше определеннойвеличины, указанной в спецификации для конкретного семейства ПЛИС, в зависимости от типа семейства ПЛИС требуется обеспечить определенную последовательность подачи питающих напряжений;
максимально снизить уровень высокочастотного шума, неизбежного в цифровых высокоскоростных схемах.



     Для этого необходимы:
раздельные шины питания для различных основных потребителей тока,
установка достаточного количества шунтирующих конденсаторов,
корректная разводка печатной платы.

Рис. 1. Блок-схема системы питания ПЛИС

    В целом структурная схема системы питания ПЛИС (рис. 1) состоит из первичного источника питания, формирующего входное напряжение (V in) для стабилизатора напряжения, схемы, устанавливающей последовательность подачи различных напряжений и по необходимости схемы слежения за уровнями напряжений (супервизор). Следует особо отметить, что одним из ключевых компонентов системы питания ПЛИС является цепочка шунтирующих конденсаторов вокруг ПЛИС. Они позволяют распределить рабочий ток между потребителями, используя низкоимпедансные пути прохождения тока, тем самым снижая уровень высокочастотного шума. Кроме того, к важным моментам относится и правильность разводки печатной платы, особенно земляных полигонов