Intégrité de l’alimentation

Des techniques de contournement et de découplage appropriées améliorent l’intégrité globale du signal d’alimentation, ce qui est important pour un fonctionnement de conception fiable. Ces techniques deviennent plus importantes avec l’augmentation des besoins en courant de l’alimentation ainsi que l’augmentation de la distance entre l’alimentation et le point de charge (généralement le périphérique FPGA ou CPLD). Le type de techniques de contournement et de découplage que les concepteurs doivent envisager dépend de la conception du système et des exigences de la carte.

Lorsqu’un tampon de sortie change d’état, par exemple en mettant une broche de sortie d’un sommet logique à un bas logique, la structure de sortie présente momentanément un chemin de faible impédance à travers la structure, du rail d’alimentation à la terre. Cette transition de sortie provoque la charge ou la décharge de la sortie, ce qui nécessite que le courant soit immédiatement disponible sur la charge de sortie pour atteindre le niveau de tension requis. Les condensateurs de dérivation fournissent localement l’énergie stockée nécessaire pour ce courant transitoire.

La réponse transitoire de ce système de stockage d’énergie doit couvrir une large plage de fréquences et de charges. Par conséquent, un système de stockage doit être composé d’une variété de types de condensateurs. Les petits condensateurs à faible inductance série peuvent fournir un courant rapide pour les transitions à haute fréquence. Les gros condensateurs continuent de fournir du courant après que les condensateurs haute fréquence ont épuisé leurs réserves d’énergie. La figure 1 montre un système de stockage d’énergie typique conçu pour de grandes plages de fréquence et de charge. Les conceptions typiques nécessitent des condensateurs avec des fréquences allant de 1 KHz à 500 MHz dans trois gammes:

• 0,001 à 0,1 μF
• 47 à 100 μF
• 470 à 3 300 μF

Graphique 1. Système de stockage d’énergie typique.

La quantité de logique utilisée dans l’appareil et les exigences de commutation de sortie définissent les exigences de découplage. Une capacité de découplage supplémentaire est nécessaire à mesure que le nombre de broches d’E/S et la charge capacitive sur les broches augmentent. Les concepteurs doivent ajouter autant de condensateurs de découplage d’alimentation 0,2 μF que possible au V_CCINT,au V_CCIOet aux broches/plans de masse. Idéalement, ces petits condensateurs doivent être situés le plus près possible de l’appareil. Les concepteurs peuvent découpler chaque paire V_CCINT ou V_CCIO et broche de terre avec un condensateur de 0,2 μF. Si une conception utilise des boîtiers haute densité tels que des boîtiers BGA (Ball Grid Array), il peut être difficile d’utiliser un condensateur de découplage par V_CCINT / V_CCIO et paire de broches de terre. Dans de tels cas, les concepteurs mettent tout en œuvre pour utiliser autant de condensateurs de découplage que la disposition le permet. Les condensateurs de découplage doivent avoir une bonne réponse en fréquence, comme les condensateurs monolithiques-céramiques.

Choix et placement du condensateur

Un placement et un emplacement appropriés sont très importants pour les condensateurs haute fréquence (puce céramique à faible inductance de 0,001 à 0,1 μF). Les concepteurs doivent minimiser les longueurs de trace lorsque cela est possible pour réduire l’inductance dans le chemin entre les bornes du condensateur et les broches d’alimentation du dispositif. Cela inclut les chemins qui traversent un plan de masse ou de puissance solide (V_CCINT ou V_CCIO)où l’inductance d’un pouce de plan de cuivre solide est d’environ 1 nH. Les vias des condensateurs de dérivation doivent être acheminés directement vers les avions au sol, V_CCINTou V_CCIO. D’autres types de condensateurs (condensateurs moyenne fréquence de 47 à 100 μF et condensateurs basse fréquence de 470 à 3 300 μF) sont appelés capacités « en vrac » et peuvent être montés n’importe où sur la carte. Les concepteurs doivent toutefois localiser la capacité en vrac aussi près que possible de l’appareil. Placez les condensateurs de dérivation haute fréquence V_CCINT ou V_CCIO à moins d’un centimètre de la broche V_CCINT ou V_CCIO associée sur le PCB. Les condensateurs de dérivation moyenne fréquence V_CCINT ou V_CCIO doivent être placés à moins de 3 cm des broches V_CCINT ou V_CCIO.

Capacité de dérivation_{V CCINT}

Dans le cas de Stratix® II, des structures de réseaux logiques individuels au sein de différentes caractéristiques architecturales conduisent de très petits courants (picoampères ou moins) pendant de très courtes durées (< 50 ps). Bien que ces courants soient faibles, lorsqu’ils sont additionnés sur l’ensemble de l’appareil, ils peuvent s’ajouter à plusieurs ampères de courant. Étant donné que ces transitions de courant minuscules peuvent se produire des centaines de millions de fois par seconde, ainsi que l’existence de millions de commutateurs individuels effectuant ces transitions, le calcul du condensateur de dérivation est basé sur un besoin moyen de stockage d’énergie. Les valeurs des condensateurs haute fréquence peuvent être approchées avec :

puissance de la matrice logique = capacité équivalente de la matrice logique commutée × V_CCINT² × fréquence d’horloge

ou

capacité équivalente de la matrice logique commutée = (puissance de la matrice logique) / (V_CCINT² × fréquence d’horloge)

La capacité de réseau logique commuté équivalente est la capacité de commutation équivalente de l’ensemble du réseau logique Stratix II alimenté par V_CCINT. Afin de réduire le bruit de puissance, le condensateur de dérivation d’alimentation V_CCINT doit être nettement plus grand que la capacité équivalente de la matrice logique commutée. Les condensateurs de dérivation à haute fréquence doivent être 25 à 100 fois plus grands que la capacité équivalente du réseau logique commuté. Un facteur de 50 entraînera une variation de 2% de V_CCINT.

Capacité de dérivation haute fréquence = capacité de réseau logique commuté équivalente de <25 à 100 > ×

Chaque paire V_CCINT et broche de terre doit avoir un condensateur de dérivation haute fréquence. Pour déterminer la taille optimale de chaque condensateur de dérivation haute fréquence, divisez la capacité totale de dérivation haute fréquence par le nombre de broches_{V CCINT} sur l’appareil et arrondissez à la valeur suivante couramment disponible. Par conséquent, la taille minimale de chaque condensateur_CCINT V haute fréquence est:

Prenons l’exemple suivant :

• Puissance_CCINT de l’appareil V = 5 W
  
• V_CCINT = 1,2 V
• Fréquence d’horloge système = 150 MHz
• Multiplicateur de condensateur de dérivation haute fréquence = 50
• Nombre de broches_CCINT de l’appareil V = 36

La taille du condensateur doit être d’au moins 0,032 μF. Compte tenu de cet exemple, le concepteur doit sélectionner des condensateurs haute fréquence individuels au moins aussi grands.

Les condensateurs moyenne fréquence doivent être des condensateurs au tantale de 47 μF à 100 μF. Si le tantale n’est pas disponible, des condensateurs électrolytiques en aluminium à faible inductance peuvent être utilisés. Les dispositifs Stratix II nécessitent au moins quatre condensateurs moyenne fréquence montés à moins de 3 cm de l’appareil. De plus, au moins un condensateur basse fréquence (470 μF à 3300 μF) est requis sur le PCB.

Capacité de dérivation_{V CCIO}

À l’égard des considérations de V_CCINT, les exigences de contournement de V_CCIO sont également basées sur une exigence moyenne de stockage d’énergie. Les charges entraînées par le périphérique FPGA ou CPLD déterminent la taille de la capacité commutée équivalente. Étant donné que différentes banques d’E/S peuvent fonctionner à différentes tensions et fréquences de commutation, les concepteurs devraient envisager de contourner les réseaux individuellement, en utilisant les équations ci-dessous pour déterminer les exigences en condensateurs haute fréquence.

Afin de réduire la quantité de bruit V_CCIO, la capacité de dérivation doit être nettement supérieure à la capacité de charge de sortie totale. La capacité de dérivation à haute fréquence doit être de 25 à 100 fois la capacité de charge totale. Chaque_CCIO V et paire de terre doit avoir un condensateur de dérivation haute fréquence pour répondre aux besoins immédiats en courant lorsque l’appareil a une grande prise de courant. Les équations suivantes déterminent la taille optimale de chaque condensateur :

Prenons l’exemple suivant :

• Nombre de charges = 40 signaux
• Valeur de charge moyenne = 10pF
• Multiplicateur de condensateur de dérivation haute fréquence = 50
• Nombre de broches V CCIO de_l’appareil = 5

La taille du condensateur doit être de 0,004 μF. Compte tenu de cet exemple, le concepteur doit sélectionner des condensateurs haute fréquence individuels au moins aussi grands. La prochaine plus grande taille de condensateur disponible doit être choisie (0,047 μF ou 0,01 μF).

Les condensateurs moyenne fréquence doivent être des condensateurs au tantale de 47 μF à 100 μF. Un condensateur de fréquence moyenne est requis pour deux banques_{V CCIO.} Si les condensateurs au tantale ne sont pas disponibles, des condensateurs électrolytiques en aluminium à faible inductance peuvent être utilisés. Ces condensateurs doivent être situés à moins de 3 cm des connexions de brocheS V_CCIO. Enfin, au moins un condensateur basse fréquence (470 μF à 3 300 μF) est requis sur le PCB pour chaque niveau de tension V_CCIO.