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Los diseños de referencia simplifican la administración de energía FPGA

Los dispositivos equipados con circuitos integrados de administración de energía (PMIC) tienden a ser más inteligentes y eficientes, ya que regulan el flujo de energía desde el interior y el exterior del dispositivo. Los PMIC ayudan a estos dispositivos a utilizar la energía de manera más eficiente mientras prolongan su vida útil. Por lo tanto, la demanda de dichos componentes está aumentando rápidamente.

Uno de los factores más críticos en un sistema basado en FPGA es la administración de energía. Alimentar un FPGA requiere un análisis cuidadoso del sistema, y ​​la misma técnica casi siempre se puede usar para un ASIC.

Los ingenieros dedican la mayor parte de su tiempo a programar y no quieren perder tiempo ni energía pensando en diseñar las fuentes de alimentación adecuadas. De hecho, el mejor enfoque para la entrega de energía es utilizar un diseño robusto, flexible y probado que cumpla con los requisitos y se pueda escalar con el diseño.

El voltaje que suministra el núcleo FPGA está sujeto a amplias variaciones de corriente caracterizadas por velocidades de respuesta extremadamente altas. Esto requiere que el controlador pueda entregar pasos de corriente a la carga mientras minimiza los cambios en su voltaje de salida.

Varias vías de alimentación, secuenciación de encendido, tolerancias estrictas, respuesta transitoria, confiabilidad del sistema, costo total de la solución y tamaño:estas son cosas que preocupan a los diseñadores cuando alimentan una FPGA. Una forma de abordar estos desafíos es utilizar un diseño de referencia.

Más recientemente, Renesas Electronics lanzó tres diseños de referencia de PMIC para alimentar los múltiples rieles de suministro de los FPGA de Xilinx. Los diseños de referencia permiten una fácil gestión de la alimentación de rieles en los sistemas Xilinx Artix-7 FPGA, Spartan-7 FPGA y Zynq-7000 SoC. Basadas en PMIC multifase, las soluciones empaquetadas con BGA de Renesas ofrecen soluciones llave en mano fáciles de usar que permiten que un solo proyecto admita diferentes grados de velocidad de Xilinx y tipos de memoria DDR como DDR3, DDR3L, DDR4, LPDDR2 y LPDDR3.

Los tres diseños de referencia, ISL91211A-BIK-REFZ, ISL91211A-BIK-REFZ e ISL91211AIK-REFZ, se basan en los PMIC ISL91211AIK e ISL91211BIK de Renesas en paquetes BGA.

La placa de diseño de referencia ISL91211A-BIK-REFZ para dispositivos Artix-7 emplea los PMIC multifásicos ISL91211AIK e ISL91211BIK, el convertidor CC / CC reductor síncrono ISL80030 3-A y la referencia de voltaje de micropotencia ISL21010DFH312. Los PMIC brindan una eficiencia de hasta el 95% para múltiples rieles de alimentación y aceptan una entrada de 5 V desde un adaptador de CA / CC enchufable o una fuente de alimentación de CC. El ISL80030 admite VCCO y VCC_IO para 3,3 V, 2,5 V y 1,8 V, y el ISL21010DFH312 es para un voltaje de entrada XADC de 1,25 V con una precisión de ± 0,2%.

La placa de diseño de referencia ISL91211BIK-REF2Z para dispositivos Spartan-7 utiliza el PMIC multifásico ISL91211BIK y el convertidor CC / CC reductor síncrono ISL80030 3-A. El ISL91211BIK es necesario para VCCINT, VCCBRAM, VCC_DDR, VCCAUX y VTT, y acepta una entrada de 5 V desde un adaptador de CA / CC enchufable o una fuente de alimentación de CC. El convertidor CC / CC ISL80030 admite VCCO y VCC_IO para rieles de 3.3 V, 2.5 V y 1.8 V.

Figura 1:Diseño de referencia para Spartan 7 (Imagen:Renesas)

La placa de diseño de referencia ISL91211AIK-REFZ para dispositivos Zynq-7000 utiliza el PMIC multifásico ISL91211AIK, el regulador reductor ISL9123 de bajo coeficiente intelectual y dos convertidores CC / CC reductores síncronos 3-A ISL80030. Se requiere ISL91211AIK para VCCINT, VCCBRAM, VCC_DDR y VCCAUX. El ISL9123 alimenta el riel de alimentación VTT y dos convertidores CC / CC ISL80030 admiten VCCO y VCC_IO para rieles de 3,3 V, 2,5 V y 1,8 V.

Las soluciones pueden proporcionar una corriente de salida total de hasta 20 A y están equipadas con escalado de voltaje dinámico independiente, lo que acelera de manera efectiva el desarrollo de fuentes de alimentación para una variedad de aplicaciones industriales como control de motores, cámaras de visión artificial y controladores lógicos programables ( PLC). Su retroalimentación de control sintonizado admite de manera óptima los perfiles de carga de los FPGA de Xilinx y puede administrar internamente la secuencia de encendido / apagado sin algoritmos adicionales. También se pueden usar en puertas de enlace y electrodomésticos domésticos, dispositivos médicos portátiles y equipos inalámbricos.

La aplicación de una frecuencia de conmutación de 2 MHz y una respuesta transitoria de carga rápida permite que cada placa PMIC utilice condensadores de salida de 22 µF y un pequeño inductor para reducir el tamaño de la solución. Los PMIC están disponibles en paquetes BGA de 35 bolas y 4,7 × 6,3 mm con paquetes de paso de 0,8 mm.

Ambos PMIC multifase ofrecen la tecnología de modulación R5 de Renesas, que permite transitorios extremadamente rápidos y puede cambiar dinámicamente los voltajes de salida para mejorar el rendimiento y la eficiencia del sistema. La tecnología del controlador R5 es una técnica de modulación patentada que ofrece la respuesta más rápida a las condiciones cambiantes de carga de salida, según Renesas.

Figura 2:Diagrama simplificado de la tecnología R5 de Renesas (Imagen:Renesas)

Renesas llama a la tecnología R5 la próxima evolución de su controlador histerético en modo actual único con ancho de banda mejorado y un coeficiente intelectual más bajo que las implementaciones anteriores.

Figura 3:Eficiencia de la tecnología de modulación R5 (Imagen:Renesas)

El modulador R5 opera usando una ventana histerética y una señal de corriente sintética etiquetada en Fig. 4 como Vcr. La rampa sintética es una representación de la forma de onda del inductor sin necesidad de detectar directamente la corriente del inductor.

Figura 4:Controlador R5 en condición transitoria (Imagen:Renesas)

En estado estable, la ventana se controla con el objetivo de tener una frecuencia de conmutación constante con un ciclo de trabajo constante. La posición de la ventana permite que el bucle reaccione a una carga dinámica mejor que un esquema de modulación de frecuencia fija. El modulador R5 aumenta la eficiencia de la carga a través de un juego de corriente en el MOSFET.

Además, el modulador R5 no depende de un reloj fijo para configurar o restablecer los pulsos PWM. Por lo tanto, puede, por supuesto, omitir los pulsos cuando sea necesario. Cuando la corriente de carga es muy ligera, la frecuencia de conmutación del bucle se reduce, lo que reduce drásticamente las pérdidas de conmutación.

Todas las placas de diseño de referencia se suministran con una guía del usuario, un esquema completo, una lista de materiales y archivos de diseño de PCB. Están disponibles a través de la red de distribución de Renesas.


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