Источник электропитания ПЛИС

В большинстве сложных цифровых микросхем используется несколько питающих электрических напряжений, которые должны подаваться на микросхему в строгой последовательности и с необходимой скоростью нарастания.[1]

Для каждого напряжения используется свой собственный источник электропитания.

Структурная схема источника электропитания ПЛИС (программируемой логической интегральной схемы) состоит из первичного источника электропитания, формирующего входное напряжение для вторичного источника электропитания и секвенсора. Напряжение от первичного источника поступает на несколько вторичных, с помощью которых формируются все необходимые напряжения электропитания. Секвенсор формируют необходимую последовательность подачи напряжений и/или скорость их нарастания. Следует особо отметить, что одним из ключевых компонентов интерфейса электропитания 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.

На ПЛИС реализуется неограниченное число всевозможных конфигураций схем, работающих на разных тактовых частотах и, следовательно, потребляющих разную мощность. А так как исходными данными для проектирования системы электропитания ПЛИС является потребляемая мощность надо 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;

• •    число необходимых питающих электрических напряжений и

• отдельных источников электропитания;

• •    диапазон рабочих температур.

Для электропитания разных функциональных блоков ПЛИС используются различные уровни напряжения. Для обеспечения одного уровня напряжения необходим один вторичный источник электропитания.

Все ПЛИС нуждаются в источнике напряжения электропитания ядра, но большинство сложных ПЛИС испытывают потребность и в отдельном источнике напряжения электропитания для блоков ввода - вывода, источнике опорных напряжений, источнике напряжения для терминальных резисторов и источнике напряжения для дополнительных функций. Рассмотрим более подробно типы напряжения электропитания, необходимые для ПЛИС Xilinx :

• •    V CCINT – внешнее напряжение электропитания ядра – является основным питающим напряжением ПЛИС и, как правило, обеспечивает большую часть мощности, затрачиваемой в ПЛИС. Основное напряжение источника зависит от семейства ПЛИС. Ряд основных напряжений электропитания включает: 1,2; 1,5; 1,8; 2,5; 3,3 и 5,0 В. Напряжение электропитания ядра может использоваться и для электропитания конфигурационного ППЗУ.

• •    V CCO – напряжение электропитания блоков ввода-вывода. ПЛИС от Xilinx содержат блоки ввода-вывода, которые могут быть сконфигурированы для работы по различным стандартам. В зависимости от того, какой стандарт выбран разработчиком, применяются различные уровни напряжений (1,5; 1,8; 2,5; 3,0 и 3,3 В). Конфигурирование блоков ввода-вывода возможно в одной и той же ПЛИС, но подразумевает наличие нескольких источников напряжения электропитания устройства ввода-вывода (VCCO).

• •    V CCAUX – вспомогательное напряжение электропитания, необходимое для различных вспомогательных функций ПЛИС, например для устройства управления тактовой частотой или интерфейсом JTAG . Вспомогательные устройства более чувствительны к шуму, нежели другие, и поэтому V CCAUX имеет более высокие требования по развязке для минимизации наведенного шума. Напряжения V CCAUX могут быть 2,5 и 3,3 В. В случае если источник электропитания ядра напряжением V CCO обладает низким шумом, от него можно запитать блоки вспомогательных функций.

• •    V CCAUXTX – вспомогательное напряжение электропитания для RocketIO -трансиверов, которыми располагает семейство ПЛИС Virtex -II Pro . Это питающее напряжение обладает особыми требованиями к шуму. Устройство должно быть запитано отдельным стабилизатором напряжения, подключенным к отдельной заземляющей поверхности на печатной плате ( GNDA ).

• •    V REF – опорное напряжение электропитания необходимо для дифференциального порта, использующего различные стандарты ввода-вывода, таких как LVDS .

• •    V TT – напряжение электропитания терминальных резисторов.

В зависимости от семейства ПЛИС может потребоваться определенная последовательность подачи питающих напряжений. Для семейства Spartan -II E требуется одновременная подача напряжений V CCINT и V CCO . Если напряжение ядра V CCINT подать раньше напряжения электропитания блоков ввода - вывода, ток может резко вырасти из - за того, что линии ввода - вывода не находились в высокоимпедансном состоянии. Тем не менее, если ток I CCPO обеспечивается источником электропитания V CCINT , процесс включения будет успешным независимо от последовательности подачи питающих напряжений. Для семейства Virtex -II Pro очередность включения источников не важна, за исключением источника V CCAUX , который должен включаться раньше V CCO , чтобы обеспечить минимальный ток от источника электропитания.[2]

Для электропитания разрабатываемой ПЛИС требуются два питающих напряжения: 2 В для электропитания блоков ввода-вывода и 3,3 В для электропитания ядра. Необходимо обеспечить как можно меньший интервал (0 ÷ 30 мс) между включением выходных сигналов напряжений источника электропитания и их определённую очерёдность: в начале требуется подать напряжение 3,3 В, а затем 2 В. Напряжения должны подаваться в такой очерёдности или одновременно.

Для каждого напряжения, подаваемого на ПЛИС, используется свой собственный источник электропитания (рис. 1). Каждый из них состоит из трансформатора (Тр 1 и Тр 2 ), питающегося от трёхфазной сети напряжением 220 В и частотой 400 Гц, выпрямителей напряжения (В1 осн , В1_доп и В2_осн, В2_доп), и стабилизатора напряжения (СН2 и СН3,3).

Рис. 1. Структурная схема источника электропитания

Выпрямители напряжения В1осн, В1доп и В2осн, В2доп обеспечивают на выходе два необходимых выпрямленных напряжения постоянного тока: основное и дополнительное. На входе источников вторичного электропитания установлены узлы защиты от перенапряжения на основе плавкого предохранителя (СЗ).

СН2 и СН3,3 имеют выходные параметры 2 В 4 А и 3,3 В 6 А.

Исполнения стабилизаторов отличаются, в основном, количеством транзисторов регулирующего компонента, поэтому рассмотрим только один из них – СН3,3.

Данный компенсационный стабилизатор напряжения непрерывного действия помимо основного стабилизатора напряжения содержит также дополнительный параметрический стабилизатор напряжения, схему защиты от перенапряжения на выходе, от перегрузок по току и коротких замыканий в нагрузке. Его структурная схема приведена на рис. 2.

В состав стабилизатора напряжения входят следующие функциональные узлы:

• •    основной узел компенсационной стабилизации,

• •    дополнительный узел параметрической стабилизации (ПСН),

• •    устройство защиты от перегрузок по току и коротких замыканий в

нагрузке,

• •    устройство защиты от превышения напряжения в выходных цепях.

Рис. 2. Структурная схема стабилизатора напряжения

Основной узел компенсационной стабилизации напряжения состоит из регулирующего элемента (РЭ), измерительного элемента (ИЭ1), схемы управления (СУ), включающей в себя схему сравнения и усилитель постоянного тока.

Схема защиты от перенапряжения на выходе (СЗН) включает в себя измерительный элемент (ИЭ2), пороговое устройство (ПУ) и ключ (К).

Схема защиты от перегрузок по току и коротких замыканий в нагрузке (СЗТ) состоит из датчика тока (ДТ) и части схемы управления (СУ).

На рис. 3 приведены динамические характеристики источника электропитания 3,3 В и 2 В. По графикам видно, что сигнал 3,3 В, опережает сигнал 2 В примерно на 3 мс.

Рис. 3. Динамические характеристики источников электропитания

Один из способов обеспечения требуемой очерёдности включения напряжений – применение RC -цепи и использование транзистора в качестве электронного ключа, шунтирующего при включении транзистор в схеме управления стабилизатора напряжения, включение которого необходимо задержать, при этом время задержки определяется, как время переходного процесса t = RC. Также при использовании этого метода для корректировки скорости нарастания сигнала по фронту можно подобрать соответствующую ёмкость конденсатора в фильтре на выходе стабилизатора напряжения.

В качестве примера данного метода на рис. 4 приведена схема стабилизатора напряжения компенсационного типа с усилителем постоянного тока на операционном усилителе, опорное напряжение которого на стабилитроне D в момент включения шунтируется открытым ключом на транзисторе VT.

Рис. 4. Электрическая схема применения RC -цепи и электрического ключа на транзисторе для задержки включения стабилизатора напряжения

Рассматриваемый источник электропитания может применяться для ПЛИС, для обеспечения работы которых требуются такие же уровни питающих напряжений блока ввода-вывода, ядра и очерёдность их включения.

Алгоритмы разработки источника электропитания могут применяться при решении сходных задач, как разработки блоков источника электропитания, так и при решении задач обеспечения селективности каналов электропитания.