Integralność zasilacza

Właściwe techniki omijania i odsprzęganiania poprawiają ogólną integralność sygnału zasilania, co jest ważne dla niezawodnego działania projektu. Techniki te stają się bardziej znaczące wraz ze zwiększonym zapotrzebowaniem na prąd zasilania, a także zwiększoną odległością od zasilania do punktu obciążenia (zazwyczaj urządzenie FPGA lub CPLD). Rodzaj technik omijania i odsprzężania, które projektanci powinni wziąć pod uwagę, zależy od projektu systemu i wymagań płyty.

Gdy bufor wyjściowy zmienia stan, np. napędzając pin wyjściowy z logicznego wysokiego do logicznego niskiego, struktura wyjściowa chwilowo przedstawia ścieżkę o niskiej impedancji przez konstrukcję od szyny zasilającej do masy. To przejście wyjściowe powoduje ładowanie lub rozładowywanie wyjścia, co wymaga, aby prąd był natychmiast dostępny na obciążeniu wyjściowym, aby osiągnąć wymagany poziom napięcia. Kondensatory obejściowe lokalnie dostarczają zmagazynowaną energię wymaganą dla tego bieżącego przejściowego.

Odpowiedź przejściowa dla tego systemu magazynowania energii musi obejmować duży zakres częstotliwości i obciążenia. Dlatego system przechowywania powinien składać się z różnych typów kondensatorów. Małe kondensatory o niskiej indukcyjności szeregowej mogą zapewnić szybki prąd dla przejść o wysokiej częstotliwości. Duże kondensatory nadal dostarczają prąd po wyczerpaniu zapasów energii przez kondensatory o wysokiej częstotliwości. Rysunek 1 przedstawia typowy system magazynowania energii zaprojektowany dla dużych zakresów częstotliwości i obciążeń. Typowe konstrukcje wymagają kondensatorów o częstotliwościach od 1 KHz do 500 MHz w trzech zakresach:

• 0,001 do 0,1 μF
• Od 47 do 100 μF
• Od 470 do 3 300 μF

Ryc. 1. Typowy system magazynowania energii.

Ilość logiki użytej w urządzeniu i wymagania dotyczące przełączania wyjścia definiują wymagania dotyczące odsprzężenia. Potrzebna jest dodatkowa pojemność odsprzęgająca, ponieważ wzrasta liczba pinów I/O i obciążenie pojemnościowe pinów. Projektanci powinni dodać jak najwięcej kondensatorów odsprzęgujących zasilanie 0,2 μF do pinów / płaszczyzn V_CCINT,V_CCIOi uziemienia. Idealnie, te małe kondensatory powinny znajdować się jak najbliżej urządzenia. Projektanci mogą oddzielić każdą parę V_CCINT lub V_CCIO i pinów uziemianych za pomocą kondensatora 0,2-μF. Jeśli projekt wykorzystuje pakiety o dużej gęstości, takie jak pakiety siatki kulowej (BGA), może być trudno użyć jednego kondensatora odsprzęgającego na parę V_CCINT / V_CCIO i pinów masy. W takich przypadkach projektanci dokładają wszelkich starań, aby użyć jak największej liczby kondensatorów odsprzęgujących, na ile pozwala układ. Kondensatory odsprzężające powinny mieć dobrą charakterystykę częstotliwościową, takie jak kondensatory monolityczno-ceramiczne.

Wybór i umiejscowienie kondensatora

Właściwe umiejscowienie i umiejscowienie są bardzo ważne dla kondensatorów wysokiej częstotliwości (0,001 do 0,1 μF niskodukcyjnego chipa ceramicznego). Projektanci powinni zminimalizować długości śladów, jeśli to możliwe, aby zmniejszyć indukcyjność na ścieżce od zacisków kondensatora do pinów zasilających urządzenia. Obejmuje to ścieżki, które przechodzą przez stałą płaszczyznę masy lub mocy (V_CCINT lub V_CCIO), gdzie indukcyjność jednego cala stałej płaszczyzny miedzi wynosi około 1 nH. Przepowiednie kondensatora obejściowe powinny kierować bezpośrednio do płaszczyzny masy, V_CCINTlub V_CCIO. Inne typy kondensatorów (47 do 100 μF średniej częstotliwości i 470 do 3 300 μF kondensatory niskiej częstotliwości) są określane jako pojemności "masowe" i mogą być montowane w dowolnym miejscu na płycie. Projektanci powinni jednak zlokalizować pojemność masową jak najbliżej urządzenia. Umieść kondensatory obejściowe wysokiej częstotliwości V_CCINT lub V_CCIO w odległości jednego centymetra od powiązanego pinu V_CCINT lub V_CCIO na płytce drukowanej. Kondensatory obejściowe średniej częstotliwości V_CCINT lub V_CCIO powinny być umieszczone w odległości 3 cm od pinów V_CCINT lub V_CCIO.

V_CcINT Bypass Pojemność

W przypadku Stratix® II, poszczególne struktury tablic logicznych w różnych cechach architektonicznych przewodzą bardzo małe prądy (pikoampy lub mniej) przez bardzo krótki czas (< 50 ps). Chociaż prądy te są niewielkie, po zsusaniu w całym urządzeniu mogą sumować się do kilku amperów prądu. Biorąc pod uwagę, że te drobne przejścia prądowe mogą występować setki milionów razy na sekundę, wraz z istnieniem milionów pojedynczych przełączników wykonujących te przejścia, obliczanie kondensatora obejściowego opiera się na średnim zapotrzebowaniu na magazynowanie energii. Wartości kondensatorów wysokiej częstotliwości można przybliżyć za pomocą:

moc macierzy logicznej = równoważna pojemność przełączanej tablicy logicznej × V_CCINT² × częstotliwość zegara

lub

równoważna pojemność przełączanej tablicy logicznej = (moc tablicy logicznej) / (V_CCINT² × częstotliwość zegara)

Równoważna pojemność przełączanej tablicy logicznej jest równoważną pojemnością przełączaną całej tablicy logicznej Stratix II zasilanej przez V_CCINT. Aby zmniejszyć szumy zasilania, kondensator obejściowy zasilacza V_CCINT musi być znacznie większy niż równoważna pojemność przełączanej macierzy logicznej. Kondensatory obejściowe wysokiej częstotliwości powinny być od 25 do 100 razy większe niż równoważna pojemność przełączanej tablicy logicznej. Współczynnik 50 spowoduje 2-procentową zmienność V_CCINT.

Pojemność obejściowa wysokiej częstotliwości = <25 do 100> × równoważna pojemność przełączanej tablicy logicznej

Każda para V_CCINT i pinów masy powinna mieć kondensator obejściowy wysokiej częstotliwości. Aby określić optymalny rozmiar każdego kondensatora obejściowego wysokiej częstotliwości, podziel całkowitą pojemność obejścia wysokiej częstotliwości przez liczbę pinów V_CCINT w urządzeniu i zaokrąglij w górę do następnej powszechnie dostępnej wartości. Dlatego minimalny rozmiar każdego kondensatora V_CCINT o wysokiej częstotliwości wynosi:

Rozważmy następujący przykład:

• Moc urządzenia V_CCINT = 5 W
  
• V_CCINT = 1,2 V
• Częstotliwość zegara systemowego = 150 MHz
• Mnożnik kondensatora obejściowego wysokiej częstotliwości = 50
• Liczba pinów V_CCINT urządzenia = 36

Rozmiar kondensatora powinien wynosić co najmniej 0,032 μF. Biorąc pod uwagę ten przykład, projektant powinien wybrać pojedyncze kondensatory wysokiej częstotliwości co najmniej tak duże.

Kondensatory średniej częstotliwości powinny być kondensatorami tantalowymi od 47 μF do 100 μF. Jeśli tantal nie jest dostępny, można zastosować aluminiowe kondensatory elektrolityczne o niskiej indukcyjności. Urządzenia Stratix II wymagają co najmniej czterech kondensatorów średniej częstotliwości zamontowanych w odległości 3 cm od urządzenia. Ponadto na płytce drukowanej wymagany jest co najmniej jeden kondensator niskiej częstotliwości (od 470 μF do 3300 μF).

V_CCIO Bypass Pojemność

Podobnie jak w przypadku V_CCINT, wymagania dotyczące obejścia V_CCIO są również oparte na średnim zapotrzebowaniu na magazynowanie energii. Obciążenia napędzane przez urządzenie FPGA lub CPLD określają wielkość równoważnej pojemności przełączanej. Ponieważ różne banki I/O mogą pracować przy różnych napięciach i różnych częstotliwościach przełączania, projektanci powinni rozważyć ominięcie sieci indywidualnie, wykorzystując poniższe równania do określenia wymagań dotyczących kondensatorów o wysokiej częstotliwości.

Aby zmniejszyć ilość szumu V_CCIO, pojemność obejścia musi być znacznie większa niż całkowita pojemność obciążenia wyjściowego. Pojemność obejściowa wysokiej częstotliwości powinna wynosić od 25 do 100 razy więcej niż całkowita pojemność obciążenia. Każda para V_CCIO i uziemienia powinna mieć kondensator obejściowy o wysokiej częstotliwości, aby zapewnić natychmiastowe potrzeby prądowe, gdy urządzenie ma duży pobór prądu. Poniższe równania określają optymalny rozmiar każdego kondensatora:

Rozważmy następujący przykład:

• Liczba obciążeń = 40 sygnałów
• Średnia wartość obciążenia = 10pF
• Mnożnik kondensatora obejściowego wysokiej częstotliwości = 50
• Liczba pinów V_CCIO urządzenia = 5

Rozmiar kondensatora powinien wynosić 0,004 μF. Biorąc pod uwagę ten przykład, projektant powinien wybrać pojedyncze kondensatory wysokiej częstotliwości co najmniej tak duże. Należy wybrać następny większy dostępny rozmiar kondensatora (0,047 μF lub 0,01 μF).

Kondensatory średniej częstotliwości powinny być kondensatorami tantalowymi od 47 μF do 100 μF. Jeden kondensator średniej częstotliwości jest wymagany dla każdych dwóch banków V_CCIO. Jeśli kondensatory tantalowe nie są dostępne, można zastosować aluminiowe kondensatory elektrolityczne o niskiej indukcyjności. Kondensatory te powinny znajdować się w odległości 3 cm od połączeń pinowych V_CCIO. Wreszcie, co najmniej jeden kondensator niskiej częstotliwości (470 μF do 3 300 μF) jest wymagany na płytce drukowanej dla każdego poziomu napięcia V_CCIO.