Integrität der Stromversorgung
Geeignete Bypassing- und Entkopplungstechniken verbessern die Gesamtintegrität des Netzteilsignals, was für einen zuverlässigen Designbetrieb wichtig ist. Diese Techniken gewinnen mit erhöhtem Stromversorgungsstrombedarf sowie einem größeren Abstand von der Stromversorgung zum Lastpunkt (im Allgemeinen der FPGA oder das CPLD-Gerät) an Bedeutung. Die Art der Bypassing- und Entkopplungstechniken, die Designer berücksichtigen sollten, hängt vom Systemdesign und den Anforderungen an die Platine ab.
Wenn ein Ausgangspuffer den Zustand ändert, z. B. wenn ein Ausgangspin von einem logischen Hoch zu einem logischen Tief angetrieben wird, zeigt die Ausgangsstruktur vorübergehend einen niederohmigen Pfad durch die Struktur von der Stromversorgungsschiene zur Masse. Dieser Ausgangsübergang bewirkt, dass der Ausgang geladen oder entladen wird, so dass der Strom sofort an der Ausgangslast verfügbar sein muss, um das erforderliche Spannungsniveau zu erreichen. Bypass-Kondensatoren liefern lokal die gespeicherte Energie, die für diesen Stromtransienten benötigt wird.
Das Einschwingverhalten dieses Energiespeichers muss einen großen Frequenz- und Lastbereich abdecken. Daher sollte ein Speichersystem aus einer Vielzahl von Kondensatortypen bestehen. Kleine Kondensatoren mit niedriger Serieninduktivität können schnellen Strom für hochfrequente Übergänge liefern. Große Kondensatoren liefern weiterhin Strom, nachdem die Hochfrequenzkondensatoren ihrer Energiespeicher erschöpft sind. Abbildung 1 zeigt ein typisches Energiespeichersystem, das für große Frequenz- und Lastbereiche ausgelegt ist. Typische Designs erfordern Kondensatoren mit Frequenzen von 1 KHz bis 500 MHz in drei Bereichen:
- 0,001 bis 0,1 μF
- 47 bis 100 μF
- 470 bis 3.300 μF

Abbildung 1. Typisches Energiespeichersystem.
Die Menge an Logik, die im Gerät verwendet wird, und die Anforderungen an die Ausgangsumschaltung definieren Entkopplungsanforderungen. Eine zusätzliche Entkopplungskapazität ist erforderlich, da die Anzahl der E/A-Pins und die kapazitive Belastung der Pins zunehmen. Entwickler sollten so viele 0,2 μF-Entkopplungskondensatoren wie möglich zu den VCCINT-,VCCIO-und Masse-Pins/Ebenen hinzufügen. Idealerweise sollten sich diese kleinen Kondensatoren so nah wie möglich am Gerät befinden. Entwickler können jedes VCCINT- oder VCCIO- und Masse-Pin-Paar mit einem 0,2-μF-Kondensator entkoppeln. Wenn ein Design Gehäuse mit hoher Dichte wie BGA-Gehäuse (Ball Grid Array) verwendet, kann es schwierig sein, einen Entkopplungskondensator pro VCCINT / VCCIO- und Masse-Pin-Paar zu verwenden. In solchen Fällen bemühen sich die Entwickler, so viele Entkopplungskondensatoren zu verwenden, wie es das Layout zulässt. Entkopplungskondensatoren sollten einen guten Frequenzgang haben, wie z.B. monolithisch-keramische Kondensatoren.
Kondensatorauswahl und -platzierung
Die richtige Platzierung und Positionierung ist sehr wichtig für Hochfrequenzkondensatoren (Keramikchip mit niedriger Induktivität von 0,001 bis 0,1 μF). Entwickler sollten die Leiterbahnlängen nach Möglichkeit minimieren, um die Induktivität im Weg von den Kondensatoranschlüssen zu den Strompolen des Geräts zu reduzieren. Dazu gehören Pfade, die durch eine feste Masse oder Leistungsebene (VCCINT oder VCCIO)führen, bei der die Induktivität eines Zolls fester Kupferebene etwa 1 nH beträgt. Bypass-Kondensator-Vias sollten direkt zu Masse-, VCCINT-oder VCCIO-Ebenen geleitet werden. Andere Kondensatortypen (47 bis 100 μF Mittelfrequenz- und 470 bis 3.300 μF Niederfrequenzkondensatoren) werden als "Bulk"-Kapazität bezeichnet und können überall auf der Platine montiert werden. Entwickler sollten jedoch die Bulk-Kapazität so nah wie möglich am Gerät platzieren. Platzieren Sie VCCINT- oder V CCIO-Hochfrequenz-Bypass-Kondensatoren innerhalb eines Zentimeters des zugehörigen V CCINT- oder VCCIO-Pins auf der Leiterplatte. VCCINT- oder V CCIO-Mittelfrequenz-Bypass-Kondensatoren sollten innerhalb von 3 cm von V CCINT- oder VCCIO-Pins platziert werden.
VCCINT Bypass Kapazität
Im Fall von Stratix® II leiten einzelne Logik-Array-Strukturen innerhalb verschiedener architektonischer Merkmale sehr kleine Ströme (Picoampere oder weniger) für sehr kurze Zeiträume (< 50 ps). Obwohl diese Ströme klein sind, können sie sich, wenn sie über das gesamte Gerät addiert werden, zu mehreren Stromampere addieren. In Anbetracht der Tatsache, dass diese winzigen Stromübergänge hunderte Millionen Male pro Sekunde auftreten können, zusammen mit der Existenz von Millionen einzelner Schalter, die diese Übergänge durchführen, basiert die Bypass-Kondensatorberechnung auf einem durchschnittlichen Energiespeicherbedarf. Hochfrequenz-Kondensatorwerte können angenähert werden mit:
Logik-Array-Leistung = äquivalente Schalt-Logik-Array-Kapazität × VCCINT2 × Taktfrequenz
oder
Äquivalente Schaltkreis-Array-Kapazität = (Logik-Array-Leistung) / (VCCINT2 × Taktfrequenz)
Die äquivalente Schaltlogik-Array-Kapazität ist die äquivalente Schaltkapazität des gesamten Stratix II-Logik-Arrays, das mit VCCINTbetrieben wird. Um das Leistungsrauschen zu reduzieren, muss der V CCINT-Netzteil-Bypass-Kondensator deutlich größer sein als die äquivalente Schaltlogik-Array-Kapazität. Hochfrequenz-Bypass-Kondensatoren sollten 25- bis 100-mal größer sein als die äquivalente Schaltlogik-Array-Kapazität. Ein Faktor von 50 führt zu einer 2-prozentigen Variation von VCCINT.
Hochfrequenz-Bypass-Kapazität = <25 bis 100> × äquivalente Schaltlogik-Array-Kapazität
Jedes VCCINT- und Masse-Pin-Paar sollte über einen Hochfrequenz-Bypass-Kondensator verfügen. Um die optimale Größe jedes Hochfrequenz-Bypass-Kondensators zu bestimmen, teilen Sie die gesamte Hochfrequenz-Bypass-Kapazität durch die Anzahl derV-CCINT-Pins am Gerät und runden Sie sie auf den nächsten allgemein verfügbaren Wert auf. Daher beträgt die Mindestgröße jedes Hochfrequenz-V-CCINT-Kondensators:
Kondensatorgröße |
= (<25 bis 100> × äquivalente Schaltlogik-Array-Kapazität) / Anzahl derV-CCINT-Pins |
= (<25 bis 100> / Anzahl der VCCINT-Pins) × Logik-Array-Leistung / (VCCINT2 × Taktfrequenz) |
Betrachten Sie das folgende Beispiel:
- Gerät VCCINT Leistung = 5 W
- VCCINT = 1,2 V
- Systemtaktfrequenz = 150 MHz
- Hochfrequenz-Bypass-Kondensator-Multiplikator = 50
- Anzahl der VCCINT-Pins des Geräts = 36
Kondensatorgröße |
= (50 / 36) x 5W / (1,2 V2 x 150 MHz) |
= 3,215E-08 |
|
= 0,03215E-06 |
Die Kondensatorgröße sollte mindestens 0,032 μF betragen. In diesem Beispiel sollte der Konstrukteur einzelne Hochfrequenzkondensatoren auswählen, die mindestens so groß sind.
Bei den Mittelfrequenzkondensatoren sollte es sich um Tantalkondensatoren von 47 μF bis 100 μF handeln. Wenn Tantal nicht verfügbar ist, können Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit niedriger Induktivität verwendet werden. Stratix II-Bausteine benötigen mindestens vier Mittelfrequenzkondensatoren, die innerhalb von 3 cm vom Gerät montiert sind. Zusätzlich wird mindestens ein Niederfrequenzkondensator (470 μF bis 3300 μF) auf der Leiterplatte benötigt.
VCCIO Bypass Kapazität
Ähnlich wie bei VCCINT-Überlegungen basieren auch die V CCIO-Bypass-Anforderungen auf einem durchschnittlichen Energiespeicherbedarf. Die vom FPGA oder CPLD-Baustein angetriebenen Lasten bestimmen die Größe der äquivalenten Schaltkapazität. Da verschiedene E/A-Bänke mit unterschiedlichen Spannungen und unterschiedlichen Schaltfrequenzen arbeiten können, sollten Entwickler erwägen, Netzwerke einzeln zu umgehen und die folgenden Gleichungen zu verwenden, um die Anforderungen an Hochfrequenzkondensatoren zu bestimmen.
Um dasV-CCIO-Rauschen zu reduzieren, muss die Bypass-Kapazität deutlich größer sein als die Gesamtausgangslastkapazität. Die Hochfrequenz-Bypass-Kapazität sollte das 25- bis 100-fache der Gesamtlastkapazität betragen. JedesV-CCIO- und Massepaar sollte über einen Hochfrequenz-Bypass-Kondensator verfügen, um einen sofortigen Strombedarf zu decken, wenn das Gerät eine große Stromaufnahme hat. Die folgenden Gleichungen bestimmen die optimale Größe jedes Kondensators:
äquivalente Schalt-I/O-Kapazität (pro VCCIO) |
= Anzahl der Lasten × durchschnittliche Last pro Ausgangssignal |
Hochfrequenz-I/O-Kapazität |
=<25 bis 100> × äquivalente Schalt-E/A-Kapazität |
individuelle Kondensatorgröße |
= Hochfrequenz-I/O-Kapazität / Anzahl derV-CCIO-Pins in der Bank |
= (<25 bis 100> / Anzahl derV-CCIO-Pins) × Anzahl der Lasten × durchschnittliche Last pro Ausgangssignal |
Betrachten Sie das folgende Beispiel:
- Anzahl der Lasten = 40 Signale
- Durchschnittlicher Lastwert = 10pF
- Hochfrequenz-Bypass-Kondensator-Multiplikator = 50
- Anzahl derV-CCIO-Pins des Geräts = 5
Die Kondensatorgröße sollte 0,004 μF betragen. In diesem Beispiel sollte der Konstrukteur einzelne Hochfrequenzkondensatoren auswählen, die mindestens so groß sind. Die nächstgrößere verfügbare Kondensatorgröße sollte gewählt werden (0,047 μF oder 0,01 μF).
Mittelfrequenzkondensatoren sollten Tantalkondensatoren von 47 μF bis 100 μF sein. Für jeweils zweiV-CCIO-Banken wird ein Mittelfrequenzkondensator benötigt. Wenn Tantalkondensatoren nicht verfügbar sind, können Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit niedriger Induktivität verwendet werden. Diese Kondensatoren sollten sich innerhalb von 3 cm von denV-CCIO-Pinanschlüssen befinden. Schließlich wird auf der Leiterplatte für jedeV-CCIO-Spannungsebene mindestens ein Niederfrequenzkondensator (470 μF bis 3.300 μF) benötigt.
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