Tính toàn vẹn cung cấp điện

Kỹ thuật bỏ qua và tách rời thích hợp cải thiện tính toàn vẹn tín hiệu cung cấp năng lượng tổng thể, điều này rất quan trọng đối với hoạt động thiết kế đáng tin cậy. Những kỹ thuật này trở nên quan trọng hơn với các yêu cầu hiện tại cung cấp năng lượng tăng lên cũng như tăng khoảng cách từ nguồn điện đến điểm tải (thường là thiết bị FPGA hoặc CPLD). Loại kỹ thuật bỏ qua và tách rời các nhà thiết kế nên xem xét phụ thuộc vào thiết kế hệ thống và yêu cầu của bảng.

Khi một bộ đệm đầu ra thay đổi trạng thái, ví dụ: lái một chân đầu ra từ mức cao hợp lý đến mức thấp hợp lý, cấu trúc đầu ra trong giây lát trình bày một đường dẫn trở kháng thấp qua cấu trúc từ đường sắt cung cấp điện xuống mặt đất. Quá trình chuyển đổi đầu ra này làm cho đầu ra phải sạc hoặc xả, yêu cầu dòng điện phải có sẵn ngay lập tức trên tải đầu ra để đạt đến mức điện áp cần thiết. Bỏ qua tụ điện tại địa phương cung cấp năng lượng được lưu trữ cần thiết cho sự thoáng qua hiện tại này.

Phản ứng thoáng qua cho hệ thống lưu trữ năng lượng này phải bao gồm một dải tần số và tải lớn. Do đó, một hệ thống lưu trữ nên bao gồm nhiều loại tụ điện. Tụ điện nhỏ với cảm ứng chuỗi thấp có thể cung cấp dòng điện nhanh cho quá trình chuyển đổi tần số cao. Các tụ điện lớn tiếp tục cung cấp dòng điện sau khi các tụ điện tần số cao đã cạn kiệt các cửa hàng năng lượng của họ. Hình 1 cho thấy một hệ thống lưu trữ năng lượng điển hình được thiết kế cho tần số và phạm vi tải lớn. Các thiết kế điển hình yêu cầu tụ điện với tần số từ 1 KHz đến 500 MHz trong ba phạm vi:

• 0,001 đến 0,1 μF
• 47 đến 100 μF
• 470 đến 3.300 μF

Hình 1. Hệ thống lưu trữ năng lượng điển hình.

Lượng logic được sử dụng trong thiết bị và yêu cầu chuyển đổi đầu ra xác định các yêu cầu tách rời. Điện dung tách rời bổ sung là cần thiết khi số lượng chân I / O và tải điện dung trên các chân tăng lên. Các nhà thiết kế nên thêm càng nhiều tụ điện tách nguồn 0,2 μF càng tốt vào V_CCINT,V_CCIOvà chân / máy bay mặt đất. Lý tưởng nhất, những tụ điện nhỏ này nên được đặt càng gần thiết bị càng tốt. Các nhà thiết kế có thể tách rời mỗi Cặp V_CCINT hoặc V_CCIO và chân mặt đất với tụ điện 0,2-μF. Nếu một thiết kế sử dụng các gói mật độ cao như gói mảng lưới bóng (BGA), có thể khó sử dụng một tụ điện tách rời cho mỗi V_CCINT / V_CCIO và cặp chân mặt đất. Trong những trường hợp như vậy, các nhà thiết kế nỗ lực hết sức để sử dụng càng nhiều tụ điện tách rời theo phép của bố cục. Tụ điện tách rời nên có phản ứng tần số tốt, chẳng hạn như tụ điện nguyên khối-gốm.

Lựa chọn và vị trí tụ điện

Vị trí và vị trí thích hợp là rất quan trọng đối với tụ điện tần số cao (chip gốm cảm ứng thấp từ 0,001 đến 0,1 μF). Các nhà thiết kế nên giảm thiểu độ dài dấu vết khi có thể để giảm độ cảm ứng trong đường dẫn từ thiết bị đầu cuối tụ điện đến chân nguồn thiết bị. Điều này bao gồm các đường đi qua mặt đất hoặc mặt phẳng điện rắn (V_CCINT hoặc V_CCIO),nơi cảm ứng của một inch mặt phẳng đồng rắn là khoảng 1 nH. Bỏ qua tụ điện nên định tuyến trực tiếp đến mặt đất, V_CCINThoặc máy bay V_CCIO. Các loại tụ điện khác (tần số trung bình 47 đến 100 μF và tụ điện tần số thấp 470 đến 3.300 μF) được gọi là tụ điện "số lượng lớn" và có thể được gắn ở bất cứ đâu trên bảng. Tuy nhiên, các nhà thiết kế nên xác định vị trí tụ điện số lượng lớn càng gần thiết bị càng tốt. Đặt tụ điện bỏ qua tần số cao V_CCINT hoặc V_CCIO trong vòng một cm tính từ pin V_CCINT hoặc V_CCIO liên quan trên PCB. Tụ điện bỏ qua tần số trung bình V_CCINT hoặc V_CCIO nên được đặt trong phạm vi 3 cm của chân V_CCINT hoặc V_CCIO.

Điện dung đường tránh V_CCINT

Trong trường hợp của Stratix® II, các cấu trúc mảng logic riêng lẻ trong các tính năng kiến trúc khác nhau dẫn các dòng chảy rất nhỏ (picoamps hoặc ít hơn) trong thời gian rất ngắn (< 50 ps). Mặc dù các dòng điện này nhỏ, nhưng khi được cộng lại trên toàn bộ thiết bị, chúng có thể thêm lên đến một số amper hiện tại. Xem xét rằng những quá trình chuyển đổi hiện tại nhỏ này có thể xảy ra hàng trăm triệu lần mỗi giây, cùng với sự tồn tại của hàng triệu công tắc riêng lẻ thực hiện các quá trình chuyển đổi này, tính toán tụ điện bỏ qua dựa trên yêu cầu lưu trữ năng lượng trung bình. Giá trị tụ điện tần số cao có thể được ước tính với:

công suất mảng logic = điện dung mảng logic chuyển đổi tương đương × V_CCINT² × tần số đồng hồ

hoặc

điện dung mảng logic chuyển đổi tương đương = (công suất mảng logic) / (V_CCINT² × tần số đồng hồ)

Điện dung mảng logic chuyển đổi tương đương là điện dung chuyển đổi tương đương của toàn bộ mảng logic Stratix II được cung cấp bởi V_CCINT. Để giảm tiếng ồn điện, tụ điện V_CCINT phải lớn hơn đáng kể so với tụ điện mảng logic chuyển đổi tương đương. Tụ điện bỏ qua tần số cao phải lớn hơn 25 đến 100 lần so với tụ điện mảng logic chuyển đổi tương đương. Một hệ số 50 sẽ dẫn đến một biến thể 2 phần trăm của V_CCINT.

Điện dung bỏ qua tần số cao = <25 đến 100> × điện dung mảng logic chuyển đổi tương đương

Mỗi Cặp_{V CCINT} và chân mặt đất nên có tụ điện bỏ qua tần số cao. Để xác định kích thước tối ưu của mỗi tụ điện bỏ qua tần số cao, hãy chia tổng tụ điện bỏ qua tần số cao cho số chân V_CCINT trên thiết bị và làm tròn đến giá trị phổ biến tiếp theo. Do đó, kích thước tối thiểu của mỗi tụ điện V_CCINT tần số cao là:

Hãy xem xét ví dụ sau:

• Thiết bị V công suất_CCINT = 5 W
  
• V_CCINT = 1,2 V
• Tần số xung nhịp hệ thống = 150 MHz
• Hệ số nhân tụ điện tần số cao = 50
• Số lượng thiết bị V_CCINT pin = 36

Kích thước tụ điện phải ít nhất là 0,032 μF. Với ví dụ này, nhà thiết kế nên chọn tụ điện tần số cao riêng lẻ ít nhất là lớn này.

Các tụ điện tần số trung bình phải là tụ điện tantalum từ 47 μF đến 100 μF. Nếu tantalum không có sẵn, tụ điện phân nhôm cảm ứng thấp có thể được sử dụng. Các thiết bị Stratix II yêu cầu ít nhất bốn tụ điện tần số trung bình được gắn trong phạm vi 3 cm của thiết bị. Ngoài ra, ít nhất một tụ điện tần số thấp (470 μF đến 3300 μF) được yêu cầu trên PCB.

Điện dung bỏ qua_{V CCIO}

Tương tự như các cân nhắc V_CCINT, các yêu cầu bỏ qua_{V CCIO} cũng dựa trên yêu cầu lưu trữ năng lượng trung bình. Tải trọng được điều khiển bởi thiết bị FPGA hoặc CPLD xác định kích thước của điện dung chuyển đổi tương đương. Vì các ngân hàng I/O khác nhau có thể hoạt động ở các điện áp khác nhau và tần số chuyển mạch khác nhau, các nhà thiết kế nên xem xét bỏ qua các mạng riêng lẻ, sử dụng các phương trình dưới đây để xác định các yêu cầu tụ điện tần số cao.

Để giảm lượng tiếng ồn V_CCIO, điện dung bỏ qua phải lớn hơn đáng kể so với tổng điện dung tải đầu ra. Tụ điện bỏ qua tần số cao phải gấp 25 đến 100 lần tổng điện dung tải. Mỗi_CCIO V và cặp mặt đất nên có tụ điện bỏ qua tần số cao để cung cấp nhu cầu hiện tại ngay lập tức khi thiết bị có lực hút dòng điện lớn. Các phương trình sau đây xác định kích thước tối ưu của mỗi tụ điện:

Hãy xem xét ví dụ sau:

• Số tải = 40 tín hiệu
• Giá trị tải trung bình = 10pF
• Hệ số nhân tụ điện tần số cao = 50
• Số lượng thiết bị V_CCIO pin = 5

Kích thước tụ điện nên là 0,004 μF. Với ví dụ này, nhà thiết kế nên chọn tụ điện tần số cao riêng lẻ ít nhất là lớn này. Kích thước tụ điện lớn hơn tiếp theo nên được chọn (0,047 μF hoặc 0,01 μF).

Tụ điện tần số trung bình nên là tụ điện tantalum từ 47 μF đến 100 μF. Một tụ điện tần số trung bình là cần thiết cho mỗi hai ngân hàng_{V CCIO.} Nếu tụ điện tantalum không có sẵn, tụ điện phân nhôm cảm ứng thấp có thể được sử dụng. Các tụ điện này nên được đặt trong vòng 3 cm từ các kết nối pin_CCIO V. Cuối cùng, ít nhất một tụ điện tần số thấp (470 μF đến 3.300 μF) được yêu cầu trên PCB cho mỗi cấp điện áp V_CCIO.