FPGA एप्लिकेशन के लिए एक अच्छा बिजली प्रबंधन समाधान तैयार करने के बारे में कई तकनीकी चर्चाएं हुई हैं, क्योंकि यह कोई मामूली काम नहीं है। इस कार्य के एक पहलू में सही समाधान खोजना और सबसे उपयुक्त बिजली प्रबंधन उत्पाद का चयन करना शामिल है, जबकि दूसरा यह है कि FPGAs के उपयोग के लिए वास्तविक समाधान को कैसे अनुकूलित किया जाए। सही बिजली आपूर्ति समाधान ढूँढना FPGAs को बिजली देने के लिए सर्वोत्तम संभव समाधान खोजना आसान नहीं है। कई विक्रेता कुछ उत्पादों को FPGAs को शक्ति देने के लिए उपयुक्त मानते हैं। FPGAs को पावर देने के लिए dc-to-dc कन्वर्टर्स का चयन क्या विशिष्ट बनाता है? बहुत ज्यादा नहीं। आम तौर पर, सभी पावर कन्वर्टर्स का उपयोग FPGAs को पावर देने के लिए किया जा सकता है। कुछ उत्पादों के लिए सिफारिशें आमतौर पर इस तथ्य पर आधारित होती हैं कि कई FPGA अनुप्रयोगों के लिए कई वोल्टेज रेल की आवश्यकता होती है, जैसे कि FPGA कोर, I/Os, और संभवतः DDR मेमोरी समाप्ति के लिए एक अतिरिक्त रेल। अक्सर पीएमआईसी (पावर मैनेजमेंट इंटीग्रेटेड सर्किट), जहां कई डीसी-टू-डीसी कन्वर्टर्स सभी एक सिंगल रेगुलेटर चिप में एकीकृत होते हैं, को प्राथमिकता दी जाती है। किसी विशिष्ट FPGA को पावर देने के लिए एक अच्छा समाधान खोजने का एक लोकप्रिय तरीका पहले से मौजूद पावर प्रबंधन संदर्भ डिज़ाइन का उपयोग करना है, जो कई FPGA विक्रेता प्रदान करते हैं। अनुकूलित डिज़ाइन के लिए यह एक अच्छा प्रारंभिक बिंदु है। हालांकि, इस तरह के डिजाइनों के संशोधन अक्सर आवश्यक होते हैं, क्योंकि एफपीजीए वाले सिस्टम को आमतौर पर अतिरिक्त वोल्टेज रेल और लोड की आवश्यकता होती है जिसे संचालित करने की भी आवश्यकता होती है। संदर्भ डिजाइन में परिवर्धन भी अक्सर आवश्यक होते हैं। एक और बात पर विचार करना है कि FPGAs की इनपुट शक्ति निश्चित नहीं है। इनपुट वोल्टेज वास्तविक तर्क स्तरों और FPGA द्वारा लागू किए जा रहे डिज़ाइन पर बहुत अधिक निर्भर करता है। पावर प्रबंधन संदर्भ डिज़ाइन में संशोधन पूरा करने के बाद, यह संदर्भ डिज़ाइन के मूल सुझाव से अलग दिखाई देगा। कोई यह तर्क दे सकता है कि सबसे अच्छा समाधान बिजली प्रबंधन संदर्भ डिजाइन के साथ परेशान नहीं करना है, लेकिन आवश्यक वोल्टेज रेल और धाराओं को सीधे बिजली प्रबंधन चयन और अनुकूलन उपकरण जैसे एलटीपॉवरकैड में एनालॉग डिवाइस से दर्ज करना है। चित्रा 1। FPGAs को पावर देने के लिए सही dc-to-dc कन्वर्टर्स का चयन करने के लिए LTpowerCAD टूल। LTpowerCAD का उपयोग व्यक्तिगत वोल्टेज रेल के लिए बिजली समाधान के साथ आने के लिए किया जा सकता है। यह संदर्भ डिजाइनों का एक संग्रह भी प्रदान करता है, जो डिजाइनरों को एक अच्छा प्रारंभिक बिंदु प्रदान करता है। LTpowerCAD को एनालॉग डिवाइसेज वेबसाइट से मुफ्त में डाउनलोड किया जा सकता है। एक बार पावर आर्किटेक्चर और व्यक्तिगत वोल्टेज कन्वर्टर्स का चयन करने के बाद, हमें उपयुक्त निष्क्रिय घटकों को चुनने और बिजली की आपूर्ति को डिजाइन करने की आवश्यकता होती है। ऐसा करते समय हमें FPGAs की विशेष लोड आवश्यकताओं को ध्यान में रखना होगा। ये हैं: व्यक्तिगत वर्तमान आवश्यकताएं वोल्टेज रेल अनुक्रमण वोल्टेज रेल की मोनोटोनिक वृद्धि तेज बिजली ट्रांजिस्टर वोल्टेज सटीकता व्यक्तिगत वर्तमान आवश्यकताएं किसी भी FPGA की वास्तविक वर्तमान खपत उपयोग के मामले पर बहुत अधिक निर्भर करती है। अलग-अलग क्लॉकिंग और अलग-अलग FPGA कंटेंट के लिए अलग-अलग मात्रा में पावर की जरूरत होती है। इस वजह से, एक विशिष्ट FPGA डिज़ाइन के लिए अंतिम बिजली आपूर्ति विनिर्देश FPGA सिस्टम डिज़ाइन प्रक्रिया के दौरान बदलने के लिए बाध्य है। एफपीजीए निर्माता बिजली आकलन उपकरण की आपूर्ति करते हैं जो समाधान की आवश्यकता के प्रकार के बिजली स्तर की गणना करने में मदद करते हैं। वास्तविक हार्डवेयर के निर्माण से पहले यह जानकारी काफी उपयोगी है। फिर भी, ऐसे शक्ति अनुमानकों के साथ सार्थक परिणाम प्राप्त करने के लिए, FPGA का डिज़ाइन अंतिम होना चाहिए, या कम से कम अंतिम के करीब होना चाहिए। अक्सर, इंजीनियर बिजली की आपूर्ति को अधिकतम FPGA करंट को ध्यान में रखकर डिजाइन करते हैं। फिर, अगर यह पता चलता है कि वास्तविक FPGA डिज़ाइन के लिए कम बिजली की आवश्यकता होती है, तो वे बिजली की आपूर्ति को कम कर देते हैं। वोल्टेज रेल सीक्वेंसिंग कई एफपीजीए को एक विशिष्ट अनुक्रम में आने के लिए विभिन्न आपूर्ति वोल्टेज रेल की आवश्यकता होती है। I/O वोल्टेज आने से पहले कई बार कोर वोल्टेज की आपूर्ति करने की आवश्यकता होती है। अन्यथा कुछ FPGAs क्षतिग्रस्त हो जाएंगे। इससे बचने के लिए, बिजली की आपूर्ति को सही क्रम में क्रमबद्ध करने की आवश्यकता है। मानक डीसी-टू-डीसी कन्वर्टर्स पर सक्षम पिन का उपयोग करके सरल अप-सीक्वेंसिंग आसानी से की जा सकती है। हालांकि, नियंत्रित डाउन-सीक्वेंसिंग की भी आमतौर पर आवश्यकता होती है। एक अच्छा परिणाम प्राप्त करना मुश्किल है जब केवल सक्षम पिन अनुक्रमण किया जाता है। ADP5014 जैसी उन्नत एकीकृत अनुक्रमण सुविधाओं के साथ PMIC का उपयोग करना एक बेहतर समाधान है। विशेष सर्किट ब्लॉक जो एडजस्टेबल अप और रिवर्स ऑर्डर डाउन-सीक्वेंसिंग को सक्षम बनाता है, चित्र 2 में लाल रंग में दर्शाया गया है। चित्रा 2। ADP5014 PMIC लचीले अप और डाउन-सीक्वेंसिंग के लिए एकीकृत समर्थन के साथ। चित्र 3 इस उपकरण के साथ किए गए अनुक्रमण को दर्शाता है। ADP5014 पर देरी (DL) पिन के साथ अप और डाउन-सीक्वेंसिंग के लिए समय की देरी को आसानी से समायोजित किया जा सकता है। यदि व्यक्तिगत बिजली आपूर्ति का उपयोग किया जाता है, तो एक अतिरिक्त अनुक्रमण चिप आवश्यक ऑन/ऑफ अनुक्रमण का ख्याल रख सकती है। एक उदाहरण LTC2924 है, जो बिजली आपूर्ति को चालू और बंद करने के लिए dc-to-dc कन्वर्टर्स के सक्षम पिन को नियंत्रित कर सकता है या यह एक निश्चित वोल्टेज रेल में FPGA को संलग्न और अलग करने के लिए हाई-साइड N चैनल MOSFETs चला सकता है। चित्रा 3। कई FPGA आपूर्ति वोल्टेज का स्टार्ट-अप और शटडाउन अनुक्रमण। वोल्टेज रेल का मोनोटोनिक उदय वोल्टेज अनुक्रमण के अलावा, स्टार्टअप के दौरान वोल्टेज की एक मोनोटोनिक वृद्धि भी आवश्यक हो सकती है। इसका मतलब है कि वोल्टेज केवल रैखिक रूप से बढ़ेगा, जैसा कि चित्र 4 में वोल्टेज ए द्वारा दिखाया गया है। इस प्लॉट में वोल्टेज बी एक वोल्टेज का एक उदाहरण दिखाता है जो एकरस रूप से नहीं बढ़ रहा है। यह तब हो सकता है जब लोड स्टार्टअप के दौरान एक निश्चित वोल्टेज स्तर पर बड़ी धाराओं को खींचना शुरू कर देता है। इसे रोकने का एक तरीका यह है कि बिजली की आपूर्ति की लंबी नरम शुरुआत की अनुमति दी जाए और ऐसे पावर कन्वर्टर्स का चयन किया जाए जो जल्दी से उच्च मात्रा में करंट की आपूर्ति कर सकें। चित्रा 4। वोल्टेज ए एकरसता से बढ़ रहा है, जिसमें वोल्टेज बी एकरसता से नहीं बढ़ रहा है। फ़ास्ट पावर ट्रांज़िएंट FPGA की एक अन्य विशेषता यह है कि FPGAs बहुत तेज़ी से उच्च धाराएँ खींचने लगते हैं। वे बिजली आपूर्ति पर उच्च लोड ट्रांजिस्टर का कारण बनते हैं। इस कारण से, कई FPGAs को व्यापक इनपुट वोल्टेज डिकॉउलिंग की आवश्यकता होती है। सिरेमिक कैपेसिटर का उपयोग डिवाइस के VCORE और GND पिन के बीच बहुत बारीकी से किया जाता है। 1 mF तक के मान काफी सामान्य हैं। इस तरह की उच्च क्षमता बिजली की आपूर्ति पर मांग को कम करने में मदद करती है ताकि बहुत उच्च शिखर धाराओं को वितरित किया जा सके। हालांकि, कई स्विचिंग नियामकों और एलडीओ में अधिकतम आउटपुट कैपेसिटेंस निर्दिष्ट है। FPGA की इनपुट कैपेसिटेंस आवश्यकता बिजली आपूर्ति की अधिकतम अनुमत आउटपुट कैपेसिटेंस से अधिक हो सकती है। बिजली की आपूर्ति बड़े आउटपुट कैपेसिटर को पसंद नहीं करती है, क्योंकि स्टार्टअप के दौरान, यह कैपेसिटर बैंक स्विचिंग रेगुलेटर के आउटपुट पर शॉर्ट सर्किट की तरह दिखता है। इस समस्या का एक समाधान है। एक लंबा नरम प्रारंभ समय बड़े कैपेसिटर बैंक पर वोल्टेज को शॉर्ट-सर्किट वर्तमान सीमा मोड में जाने के लिए बिजली की आपूर्ति के बिना मज़बूती से आने की अनुमति दे सकता है। चित्रा 5। कई FPGAs की इनपुट कैपेसिटर आवश्यकता। कुछ पावर कन्वर्टर्स को अत्यधिक आउटपुट कैपेसिटेंस पसंद नहीं आने का एक और कारण यह है कि यह कैपेसिटेंस वैल्यू रेगुलेशन लूप का हिस्सा बन जाता है। एकीकृत लूप मुआवजे वाले कन्वर्टर्स नियामक की लूप अस्थिरता को रोकने के लिए अत्यधिक आउटपुट कैपेसिटेंस की अनुमति नहीं देते हैं। अक्सर हाई-साइड फीडबैक रेसिस्टर में फीडफॉरवर्ड कैपेसिटेंस का उपयोग करके कंट्रोल लूप को प्रभावित करने के तरीके होते हैं, जैसा कि चित्र 6 में दिखाया गया है। चित्रा 6। जब कोई लूप मुआवजा पिन उपलब्ध न हो तो नियंत्रण लूप समायोजन की अनुमति देने के लिए आगे संधारित्र फ़ीड करें। बिजली की आपूर्ति के लोड क्षणिक और स्टार्ट-अप व्यवहार के लिए, LTpowerCAD और विशेष रूप से LTspice सहित विकास उपकरण श्रृंखला बहुत मददगार है। एक प्रभाव जो मॉडलिंग और सिमुलेशन के लिए अच्छी तरह से उधार देता है, वह है बिजली आपूर्ति के आउटपुट कैपेसिटर से एफपीजीए के बड़े इनपुट कैपेसिटर का डिकूपिंग। चित्र 6 इस अवधारणा को दर्शाता है। जबकि पीओएल (पॉइंट-ऑफ-लोड) बिजली की आपूर्ति लोड के करीब स्थित होती है, अक्सर बिजली की आपूर्ति और एफपीजीए इनपुट कैपेसिटर के बीच कुछ पीसीबी ट्रेस होता है। जब बोर्ड पर एक-दूसरे के बगल में कई FPGA इनपुट कैपेसिटर होते हैं, तो जो बिजली की आपूर्ति से सबसे दूर होते हैं, उनका बिजली आपूर्ति के ट्रांसफर फ़ंक्शन पर एक छोटा प्रभाव पड़ता है, क्योंकि उनके बीच कुछ प्रतिरोध होता है, लेकिन उनके बीच परजीवी ट्रेस इंडक्शन भी होता है। . ये परजीवी बोर्ड अधिष्ठापन एक FPGA के इनपुट कैपेसिटेंस को बिजली आपूर्ति की आउटपुट कैपेसिटेंस की अधिकतम सीमा से बड़ा होने की अनुमति दे सकते हैं, भले ही सभी कैपेसिटर बोर्ड पर एक ही नोड से जुड़े हों। LTspice में, परजीवी ट्रेस अधिष्ठापन को योजनाबद्ध में जोड़ा जा सकता है और इस तरह के प्रभावों को प्रतिरूपित किया जा सकता है। जब सर्किट मॉडलिंग में पर्याप्त परजीवी घटकों को शामिल किया जाता है तो सिमुलेशन परिणाम वास्तविकता के करीब होते हैं। चित्रा 7। बिजली आपूर्ति आउटपुट कैपेसिटर और FPGA इनपुट कैपेसिटर के बीच परजीवी डिकूपिंग। वोल्टेज सटीकता एक FPGA बिजली आपूर्ति की वोल्टेज सटीकता आमतौर पर काफी अधिक होनी चाहिए। केवल 3% की भिन्नता सहिष्णुता बैंड काफी सामान्य है। उदाहरण के लिए, स्ट्रैटिक्स वी कोर रेल को 0.85 वी पर 3% वोल्टेज सटीकता विंडो के भीतर रखने के लिए केवल 25.5 एमवी के पूर्ण सहिष्णुता बैंड की आवश्यकता होती है। इस छोटी सी खिड़की में लोड ट्रांसजेंडर के बाद वोल्टेज भिन्नता, साथ ही डीसी सटीकता शामिल है। फिर से, एलटीपॉवरकैड और एलटीस्पाइस सहित उपलब्ध बिजली आपूर्ति उपकरण श्रृंखला ऐसी सख्त आवश्यकताओं के लिए बिजली डिजाइन प्रक्रिया में आवश्यक है। अंतिम सलाह FPGA इनपुट कैपेसिटर के चयन के संबंध में है। उनके लिए बड़ी धाराओं को जल्दी से वितरित करने के लिए, सिरेमिक कैपेसिटर आमतौर पर चुने जाते हैं। वे इस उद्देश्य के लिए अच्छी तरह से काम करते हैं, लेकिन उन्हें चुना जाना चाहिए ताकि उनका वास्तविक समाई मूल्य डीसी पूर्वाग्रह वोल्टेज के साथ कम न हो।

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