FPGA-urile sunt utilizate pe scară largă într-o varietate de produse datorită numeroaselor avantaje ale acestora, incluzând timp de dezvoltare scurt, eficiență economică și flexibilitate pentru reconfigurare sau actualizare în domeniu. Multe noi FPGA-uri folosesc tehnologie avansată pentru a atinge un consum redus de energie și performanțe ridicate. Este utilizat un nou proces de fabricație care reușește să obțină o tensiune mai mică pentru nucleu, care extinde domeniul tensiunii de alimentare și crește capabilitățile curente. Multe FPGA-uri au, de asemenea, cerințe de alimentare variate pentru fiecare linie de alimentare. Aceste linii de putere pot avea o cerință de ieșire de tensiune diferită, o cerință de secvențiere și o sensibilitate la zgomot. Modulele de putere sunt ideale pentru a răspunde acestor cerințe de tensiune.
Un modul de putere include: controlerul, FET-urile, inductoarele și majoritatea componentelor pasive cuprinse într-o singură capsulă, lăsând afară doar condensatoarele de intrare și ieșire, pentru a finaliza proiectarea sistemului. Modulele digitale de putere combină avantajele modulelor de putere cu avantajele puterii de procesare digitale. Folosind un modul digital de putere, proiectanții pot scurta timpul de dezvoltare și pot actualiza rapid funcțiile de monitorizare și funcțiile de control secvențial a puterii, pe care soluțiile analogice nu le pot oferi. Beneficiind de o precizie îmbunătățită a reglajului tensiunii electrice și de tehnici avansate de control digital, modulele de putere digitale au devenit rapid mai competitive în aplicațiile FPGA. Acest articol examinează modulul ISL8274M de la Renesas și explică modul în care principalele sale caracteristici satisfac cerințele pentru alimentarea FPGA.
Modulele de putere digitale se adaptează la FPGA
Figura 1: Circuitul de aplicație pentru ISL8274M
Ambele tipuri de module, analogice și digitale, sunt potrivite pentru aplicațiile FPGA de surse de alimentare. Cu toate acestea, gestionarea digitală a energiei oferă multe avantaje suplimentare, cum ar fi monitorizarea în timp real, controlul digital cu răspuns tranzitoriu rapid, o listă de componente (BOM) și efort diminuat de proiectare. Soluția digitală a modulului de putere este flexibilă și se poate adapta cu mai puțin efort la cerințele variabile (tensiune de alimentare mai mică) ale FPGA-ului, de curent cu valori mai mari și trasee de circuit suplimentare. O nouă linie de tensiune se adaugă cu ușurință sistemului de gestionare a puterii prin intermediul PMBus. Magistrala de comunicație Digital-DC (DDC), proprietară Renesas, este utilizată pentru a furniza un canal de comunicație între dispozitivele de alimentare, realizând fără probleme comunicarea, secvențierea, intercalarea și semnalarea erorilor. Astăzi, multe module digitale de putere pot obține o precizie remarcabilă a reglării tensiunii de ieșire în concordanță cu semnalul de referință.
ISL8274M este un modul digital de putere coborâtor, de uz general, care dispune de comunicație PMBus și de alte caracteristici numeroase care satisfac cerințele surselor de alimentare pentru FPGA-uri. Acesta are două canale, care pot opera ca două linii separate de alimentare pentru diferite părți ale FPGA-ului sau care pot fi conectate în paralel pe aceeași linie de alimentare pentru a furniza un curent mai mare. Mai mult de atât, ISL8247M are o comunicație serială internă de tip DDC, care realizează comunicarea între alte dispozitive de putere de la Renesas, permițând o configurare și o implementare facilă a secvenței de alimentare, a protecției împotriva defecțiunilor electrice și a monitorizării. Circuitul de aplicație generală este prezentat în figura 1.
| ISL8274M – Caracteristici cheie | ||
| • Sursă digitală de tensiune completă • Ieșire în curent pe două canale de 30A/30A − Tensiune de intrare pe o singură line de la 4.5V până la 14V − Randament energetic de până la 95% • Tensiune de ieșire programabilă − Intervalul tensiunii de ieșire de la 0.6V la 5V − ±1.2% precizia referitoare la linie/sarcină/temperatură |
• Arhitectură în buclă de control ChargeMode™ − operații cu frecvență de comutație fixă de 296kHz până la 1.06MHz − Nu este necesară compensare − Răspuns tranzitoriu rapid pentru un ciclu de ceas • Interfață PMBus și/sau modul de desemnare a stării implicite − Complet programabil prin PMBus − Modul de desemnare a stării implicite pentru setări standard − Telemetrie în timp real pentru VIN, VOUT, IOUT, temperatură, factor de umplere și frecvență de comutație |
• Funcții de pornire/oprire lină, secvențiere și urmărire avansate − Înregistrarea erorilor și protecție completă în cazul variațiilor nepermise de tensiune, curent și temperatură. − Suport PowerNavigator™ − Capsulă HDA îmbunătățită termic |
Tabelul 1: Caracteristicile cheie ale modulului digital de putere Renesas ISL8274M
Schema de control digital ChargeMode™
ISL8274M folosește schema de control ChargeMode™ brevetată de Renesas, care are capacitatea de a obține un răspuns rapid la încărcarea tranzitorie cu o frecvență de comutație fixă și de a permite un design cu condensatori ceramici pe ieșire. Întârzierile sunt reduse între momentul eșantionării erorilor și momentul în care PWM este generat folosind o tehnică de eșantionare cu rată multiplă și un filtru digital. Aceasta este, de asemenea, o schemă simplă de control a compensării, realizată fără a fi nevoie de componente pasive suplimentare, de tip RC, pentru o proiectare compensatorie a buclei de reglare, așa cum este necesar la un modul analogic. Pentru orice schimbare în sistem, noua compensare poate fi reconfigurată cu ușurință prin comanda PMBus sau setarea PIN-Ștrap (de stabilire a valorii implicite). Producătorul oferă un proiect de referință pentru confortul utilizatorului.
Figura 2: Performanță la pornire a modulului ISL8274M
Funcția de pornire lină cu rampă ajustabilă în timp
Poate fi necesară stabilirea unei întârzieri din momentul în care se primește un semnal de activare până când tensiunea de ieșire crește liniar către valoarea țintă. ISL8274M oferă proiectanților un proces ușor prin intermediul uneltei de proiectare GUI PowerNavigator™ pentru a reseta atât timpul de întârziere cât și cel al rampei, precis și independent. ISL8274M asigură, de asemenea, o protecție pre-polarizare, prin eșantionarea tensiunii de ieșire înainte de inițierea unei rampe pe ieșire în cazul în care există deja o condiție de pre-polarizare în faza de ieșire, premergătoare pornirii efective. Figura 2 prezintă procesul de pornire lină, cu timpul de creștere egal cu 5ms.
Secvențierea puterii/Urmărirea tensiunii
Pentru diferite linii de alimentare sau pentru operații multi-fază poate fi configurat un grup de module de putere care să asigure alimentarea într-o secvență prestabilită. Această caracteristică este utilă în special atunci când sunt alimentate procesoare avansate, cum ar fi FPGA, care necesită ca o sursă de tensiune să ajungă la tensiunea proprie de funcționare înaintea altei surse pentru evitarea apariției unor blocaje. Cu ISL8274M, secvențierea mai multor dispozitive este configurată prin emiterea de comenzi pe PMBus pentru a stabili ordinea în care se dorește alimentarea acestora în lanțul de secvențiere.
ISL8274M integrează o schemă de urmărire a tensiunii, care permite uneia dintre ieșirile sale (Canal 1 sau Canal 2) să urmărească tensiunea care se aplică pinilor VTRKP și VTRKN, fără a fi necesare componente externe, în două moduri opționale bazate pe specificul aplicației.
Funcții diverse de protecție și monitorizare
ISL8274M dispune de o listă completă de funcții de protecție, inclusiv la nivelul intrării de putere la supra/sub-tensiune (UV/OV), tensiune driver (UV/OV), două nivele de curent de ieșire la supra/sub curent (UC/OC) (mediu și vârf), tensiune de ieșire UV/OV și temperatură la supra/sub-temperatură (OT/UT). Fiecare protecție are atât o limită de eroare, cât și o limită de avertizare. Utilizatorul poate stabili cu ușurință valoarea limitei de eroare necesară aplicației prin intermediul comenzilor pe PMBus. Există, de asemenea, diferite opțiuni de răspuns la erori, dintre care un proiectant poate alege, inclusiv un modul de variații mici și bruște. În plus, proiectantul poate configura funcția de răspuns prin comanda PMBus. ISL8274M este capabil să monitorizeze o varietate mare de parametri ai sistemului folosind comenzile PMBus.
Cel mai complet set de caracteristici de monitorizare și funcții de protecție este furnizat de ISL8274M de la Renesas. Aceste funcții protejează sistemul de alimentare într-o manieră mai sigură și mai robustă având o mai mare flexibilitate în ceea ce privește proiectarea acestuia.
Figura 3: Placa de evaluare pentru ISL8274M
Unelte de proiectare oferite de Renesas
Placă de evaluare / Ghid de utilizare
Pentru ISL8274M sunt disponibile o placă de evaluare și un ghid detaliat pentru testare și evaluare. O imagine a plăcii de evaluare este prezentată în figura 3. Detalii suplimentare pot fi obținute prin următorul link: https://www.intersil.com/en/tools/reference-designs/isl8274meval1z.html
PowerNavigator
Software-ul de interfață grafică cu utilizatorul GUI PowerNavigator oferit de Renesas vă ajută la accelerarea proiectării, testării, finalizării și depanării modulului vostru de putere. Acesta se conectează la plăcile de dezvoltare prin PMBus pentru a stabili diferiți parametri și valori de prag reglabile ale sistemului. Configurația finală este pur și simplu stocată în memoria non-volatilă. Figura 4 prezintă câteva exemple de ferestre ale software-ului GUI PowerNavigator.
Figura 4: Capturi de ecran ale ferestrelor software-ului PowerNavigator
PowerCompass
Unealta PowerCompass ajută utilizatorii să identifice rapid componentele care se potrivesc cu cerințele lor specifice, să configureze mai multe linii electrice, să efectueze analize de sistem de nivel ridicat și să genereze fișiere cu referințe de proiectare. Această unealtă este disponibilă exclusiv ca o aplicație web, dar la care utilizatorii pot lucra și offline.
Unealta de Proiectare și Simulare iSim
Renesas oferă o unealtă de simulare bazată pe web, numită iSim, ușor de utilizat, destinată managementului de putere interactiv fiind și o unealtă de proiectare a amplificatoarelor operaționale. iSim permite utilizatorului să selecteze rapid componentele adiacente și să proiecteze și să simuleze circuitul și sistemul.
Concluzie
Modulul digital ISL8274M utilizează arhitectura de control ChargeMode brevetată de Renesas pentru a oferi cele mai mari randamente energetice, cu mai bine de 90% la majoritatea conversiilor. Oferă un răspuns tranzitoriu rapid per ciclu de ceas la etapele de încărcare a curentului de ieșire, regăsite în FPGA-urile care controlează pornirea. Designul lor fără compensare, menține modulul stabil, indiferent de modificările parametrilor ce țin de condensatorul de ieșire, cauzate de variația temperaturii sau de îmbătrânire. Densitatea de putere, randamentul ridicat și răspunsul tranzitoriu rapid corespund cerințelor de alimentare cu una sau mai multe linii de tensiune. Aflați mai multe despre ISL8274M: https://www.intersil.com/products/isl8274m
Instrucțiuni detaliate și tutoriale video despre PowerNavigator, PowerCompass și unealta de proiectare și simulare iSim sunt disponibile online și pot ajuta utilizatorul să înceapă lucrul cu ușurință:
- https://www.intersil.com/powernavigator
- https://www.intersil.com/en/powercompass.html
- https://www.intersil.com/en/tools/isim.html
Despre autor:
Xiao Li este un Inginer Senior de Aplicații în cadrul Grupului Analog&Industrial Power la Renesas Electronics Corporation.
