PMIC – czy warto zawracać sobie głowę dobrym projektem?

Tworzenie systemów opartych na układach FPGA, GPU i ASIC wymaga często od projektanta wielu umiejętności i pokonywania przeszkód. Często także w obrębie jednego zagadnienia. Dotyczy to nie tylko samych powyższych układów i tego co je otacza, ale też sekcji zasilania i systemów zarządzania energią (PMIC).

Projektujesz elektronikę? Zarezerwuj 4 października 2018 roku na największą w Polsce konferencję dedykowaną projektantom, Evertiq Expo Kraków 2018. Przeszło 50 producentów i dystrybutorów komponentów do Twojej dyspozycji, ciekawe wykłady i świetna, twórcza atmosfera. Jesteś zaproszony, wstęp wolny: kliknij po szczegóły. © Evertiq

Projektanci często muszą samodzielnie zlokalizować i zanalizować problem, a następnie znaleźć odpowiednie rozwiązanie. Dotyczy to także zachowania odpowiedniej kompatybilności pomiędzy sekcją zasilania, dostawcą komponentów składających się na nią, a układami FPGA, GPU i ASIC oraz ich wymaganiami. Budowa sprawnie działającej, wydajnej i bezpiecznej sekcji zasilania nie jest tak prostym zadaniem, jak mogłoby się wydawać. To skomplikowany proces, wymagający dużej wiedzy zarówno w zakresie projektu, jak również doboru komponentów i ich odpowiedniej konfiguracji. Trudne początki Niemal każde zadanie jest trudne z początku. Projektowanie systemu zasilającego nie jest tu wyjątkiem, zwłaszcza w przypadku skomplikowanych aplikacji z wieloma różnymi elementami i podzespołami: jednostką główną, transceiverami, modułami pamięciowymi, sensorami, magistralami danych, itd. Dobór elementów systemu zasilające poszczególne sekcje aplikacji nie może być przypadkowy, gdyż może to w niedługim czasie doprowadzić do problemów. Tyczy się to zwłaszcza doboru elementów pasywnych, a także (zbyt małych, lub przesadnie dużych) radiatorów i innych elementów. Problemy te nie zawsze muszą dotyczyć samego zasilania w późniejszym czasie. Zbyt pośpieszne decyzje projektanta już na tym etapie mogą wprowadzić niepotrzebne opóźnienia we wdrażaniu produktu, lub powodować późniejsze awarie gotowej aplikacji. Jak zacząć? Istotnym czynnikiem jest przemyślane planowanie. Warto już na tym etapie starannie zanalizować potrzeby gotowej aplikacji, jeszcze przed wykonaniem gotowej płytki PCB i jej złożeniem. Co więcej, warto przed montażem mieć dobrze przetestowany układ zasilania pod kątem spełnienia wymagań do zasilania układów FPGA, ASIC, MPU i innych elementów gotowej aplikacji. Odpowiednie zmapowanie systemu zarządzania energią z wykorzystaniem dostępnych, dedykowanych rozwiązań zapewni, że projekt zasilania jest już na wstępie dobry i nie spowoduje problemów. Jest to kluczowy element, który pozwoli na szybkie przejście pomiędzy etapem prototypowania do etapu produkcyjnego. Oszczędzimy więc na czasie przy wdrażaniu i debugowaniu.

rys. 2: Arria 10 SoC Development Kit board

Zasilanie Arria 10 FPGA oraz Arria 10 SoC Zestawy deweloperskie FPGA (kity) umożliwiają projektantom zapoznać się z możliwościami oferowanymi przez układ logiczny, bez konieczności projektowania całej aplikacji od zera. Zdjęcia w tekście pokazują takie przykładowe zestawy, w formie gotowych płytek. Płytki te zostały przetestowane i zweryfikowane przez firmę Altera pod względem dobrych praktyk projektowania układów i zasilania, integralności sygnałowej, a także sprawnego zarządzania energią. Systemy zasilania pod wymagające układy, takie jak FPGA (klasy High-End, jak te z rodziny Arria 10) wymagają ostrożności i uwagi przy projektowaniu. W powyższym przykładzie znaleźć można zasilanie (z układem zarządzania) dla rdzenia, elementów systemowych oraz portów I/O. rys. 1: Arria 10 GX FPGA Development Kit board Dodatkowo, warto zwrócić uwagę, że dobrze zaprojektowany układ zasilania nie zajmie dużo miejsca na płytce PCB, będzie mniejszy i lżejszy od standardowego. Pozwoli także na redukcję zużycia energii i redukcję strat, a co za tym idzie zmniejszy wymagania co do chłodzenia całości, co również przyczyni się do obniżenia kosztów. Przykładem może być sekcja zasilająca z jednej z wyżej wspomnianych płytek. Arria 10 GX FPGA wymaga zasilacza o napięciu 0.95 V i wydajności 105 A. Całość zasilana jest z regulatora DC/DC, który posiada wsparcie dla interfejsu VID (równoległy, 6-bitowy interfejs). Arria 10 wykorzystuje ten interfejs (SuperVID) do kontroli regulatora DC/DC. Umożliwia to redukcję zużycia energii w stanach mniej dynamicznych i zwiększenie wydajności wtedy, gdy układ FPGA będzie tego wymagał. Do tego sam układ regulatora jest wydajny, wspierany przez sensory prądowe o niskim DCR. Pomaga to zminimalizować straty, min. w cewce. Zaplanuj swoje zasilanie LTpowerPlanner Design Tool to narzędzie w formie oprogramowania przeznaczonego na komputery PC. Ma pomóc w dostosowaniu systemu zasilania do potrzeb aplikacji, gdy pojawiają się różnice pomiędzy zestawami deweloperskimi. Narzędzie ma pomóc w spersonalizowaniu drzewa zasilającego i jego zoptymalizowaniu do wymagań konkretnej aplikacji. Zainteresowani będą mogli odpowiednio zoptymalizować poszczególne bloki zasilające, przeorganizować je, podliczyć sprawność całości lub pojedynczych elementów oraz dokonać podobnych obliczeń w kierunku strat. Możliwe będzie przeprowadzenie także symulacji poszczególnych bloków zasilających. Możliwości oferowane przez LTpowerPlanner to min:

• wybór konkretnych regulatorów DC/DC od Linear Technology, które spełniać będą wymagania rozpatrywanej specyfikacji,
• dobór odpowiednich komponentów mocy, w tym cewek, kondensatorów, rezystorów, itp.,
• obliczanie parametrów pracy systemu zasilającego, obliczanie efektywności, strat, itp.,
• optymalizacja stabilności pętli regulatora, odpowiedzi czasowej, itp.,
• eksport danych do środowiska LTspice.

Podsumowanie Narzędzie takie jak LTPowerCAD oraz LTPowerPlanner umożliwią tworzenie wysoce zaawansowanych systemów zasilania, dostosowanych do konkretnych potrzeb, z dużą dozą pewności. Oprócz możliwości do tworzenia wydajnych systemów zasilania, rozwiązania te umożliwią redukcję kosztów materiałowych dla całej aplikacji.

---

Autor: Afshin Odabaee, Business Manager, µModule Power Products, © Linear Technology