CC BY
48Продолжение. Начало в № 10'2009
Разработка устройств питания для ПЛИС фирмы Xilinx
на основе интегральных стабилизаторов напряжения, выпускаемых компанией National Semiconductor
Валерий ЗотоВ
Во второй части статьи рассматривается табличный метод выбора компонентов, выпускаемых компанией National Semiconductor, для разработки узлов питания кристаллов программируемой логики фирмы Xilinx. Для каждого из поддерживаемых семейств ПЛИС приводится информация о рекомендуемых микросхемах компании National Semiconductor, а также типовые схемы узлов питания, которые выпускаются на их основе.
табличный метод выбора компонентов
Автоматизированный способ выбора оптимальных компонентов, выпускаемых компанией National Semiconductor, для узлов питания ПЛИС фирмы Xilinx, который был представлен в первой части данной публикации, поддерживается только для перспективных семейств кристаллов программируемой логики. Кроме этих семейств, для реализации разрабатываемых устройств продолжают использоваться ПЛИС предыдущих поколений (Spartan-IIE, Spartan-II, Virtex-II, Virtex-II Pro, Virtex-E, Virtex), при разработке схем питания которых этот метод не применим. При проектировании источников питания для кристаллов этих семейств рекомендуется использовать табличный метод выбора соответствующих интегральных микросхем компании National Semiconductor. Этот метод целесообразно применять также при выборе компонентов для реализации супервизоров напряжения и источников опорных напряжений, необходимых при конфигурировании блоков ввода/вывода ПЛИС в соответствии с некоторыми цифровыми сигнальными стандартами.
В настоящее время табличный способ выбора компонентов, предназначенных для разработки узлов питания кристаллов программируемой логики фирмы Xilinx, можно использовать только для ПЛИС с архитектурой FPGA (Field Programmable Gate Array) [8]. Поэтому при проектировании схем питания цифровых устройств, реализуемых на базе кристаллов с архитектурой CPLD (Complex
Programmable Logic Device), в частности семейства CoolRunner-II, рекомендуется использовать программные средства Power Expert for Xilinx FPGAs and CPLDs, которые были рассмотрены в предыдущей части настоящей статьи. К моменту подготовки данной публикации табличный метод выбора интегральных микросхем, выпускаемых компанией National Semiconductor, поддерживался для кристаллов следующих семейств: Virtex-5 LX, Virtex-4 LX, Virtex-4 SX, Virtex-4 FX, Virtex-II, Virtex-II Pro, Virtex-E, Virtex, Spartan-3, Spartan-3E, Spartan-3L, Spartan-IIE и Spartan-II.
Необходимая информация о компонентах, рекомендуемых для применения в составе узлов питания кристаллов программируемой логики, используемых для реализации разрабатываемого устройства, содержится в таблицах, каждая из которых соответствует определенному семейству ПЛИС фирмы Xilinx. Таблицы для перечисленных выше семейств приводятся в последующих разделах статьи. Все таблицы имеют одинаковую структуру. Каждая из них содержит шесть колонок. В первом столбце представлены условные обозначения ПЛИС соответствующего семейства (или нескольких семейств одной серии). Во второй колонке отображаются сведения о значениях напряжения источников питания, которые могут потребоваться для функционирования кристаллов этого семейства. Третий столбец содержит информацию о диапазоне значений потребляемого тока для каждого источника питания соответствующего типа ПЛИС. В ячейках четвертой колонки отображаются условные обозначения интегральных микросхем, предлагаемых компанией National Semiconductor
для реализации соответствующих источников питания при использовании входного напряжения 3,3 В. Как правило, в каждой ячейке представлено несколько возможных вариантов интегральных стабилизаторов напряжения, которые отличаются значениями выходного тока. Поэтому в большинстве случаев после условного обозначения микросхем компании National Semiconductor в скобках приведена информация о границах диапазона значений тока, потребляемого от соответствующего источника питания ПЛИС, в котором рекомендуется использовать эти компоненты. В пятой колонке перечисляются условные обозначения интегральных стабилизаторов напряжения, предназначенных для реализации соответствующих источников питания кристаллов программируемой логики фирмы Xilinx в тех случаях, когда значение входного напряжения находится в диапазоне от 4,5 до 5,5 В. В ячейках последнего столбца представлены обозначения компонентов компании National Semiconductor, рекомендуемых для разработки узлов питания ПЛИС, в которых в качестве входного напряжения применяется значение 12 В. В таблицах, содержащих информацию об интегральных стабилизаторах напряжения для кристаллов семейств Virtex-5 LX, Virtex-4 LX, Virtex-4 SX и Virtex-4 FX, в последней колонке приводятся условные обозначения микросхем компании National Semiconductor, которые предназначены для использования при входном напряжении, находящемся в диапазоне от 8 до 14 В.
Каждая строка в рассматриваемых таблицах соответствует одному или нескольким типам кристаллов программируемой логики, которые имеют близкие диапазоны значений
Таблица. 1. Интегральные микросхемы компании National Semiconductor,
рекомендуемые для применения в составе узлов питания ПЛИС семейств Spartan-3, Spartan-3E, Spartan-3L
Тип ПЛИС Напряжение источника питания ПЛИС, В Выходной ток, А Входное напряжение Vin = 3,3 В Входное напряжение Vin = 4,5-5,5 В Входное напряжение Vin = 12 В
Vccint 1,2 0,2-3 LP3906; LM2743 (> 3A) LM2655 (< 2,5 A); LM2745 (> 2 A) LM2737 (> 3 A); У LM2647 (> 3 A)
Vccaux 2,5 0,3 LP3981-2.5; LM2619 LP2989-2.5; LM2619 LM2671-ADJ
1,2 LP3874-ADJ (< 800 м^; LM2743 (> 2 A) LP38841-1.2 (< 500 мA); LM2745 (> 2 A) LM2737 (> 2 A); У LM2647 (> 2 A)
XC3S50; XC3S200; XC3S400; XC3S100E; XC3S250E; 1,5 LP3982-ADJ (< 300 м^; LP3874-ADJ (< 800 м^; LP3875-ADJ (< 1,3 A); LM3477A (1-2 A) LP3874-ADJ (< 500 мA); LM2852 (2 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2593HV-ADJ (< 2 A) LM2671-ADJ (< 500 мA); LM2653-ADJ (< 1,5 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2673-ADJ (< 3 A)
1,8 LP2989LV (< 500 м^; LP3872-1.8 (< 1,5 A); LM3477A (1-2 A) LP3871-1.8 (< 600 мA); LM2852 (2 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2593HV-ADJ (< 2 A) LM2671-ADJ (< 500 мA); LM2651-1.8 (< 1,5 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2673-ADJ (< 3 A)
XC3S500E; XC3S1000L Vcco 2,5 0,05-2 LP2989-2.5 (< 500 мA); LP3852-2.5 (< 1,5 A); LP3853-2.5 (< 3 A) LP3871-2.5 (< 700 мA); LM2852 (2 A); M2650-ADJ (< 3 A); LM2593HV-ADJ (< 2 A) LM2671-ADJ (< 500 мA); LM2651-2.5 (< 1,5 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2673-ADJ (< 3 A)
3 LP3856-ADJ (< 1A); LP2975 (1-2 A) LP3874- ADJ (< 800 мA); LM2852 (2 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2593HV-ADJ (< 2 A) LM2671-ADJ (< 500 мA); LM2653-ADJ (< 1,5 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2673-ADJ (< 3 A)
3,3 - LP3871-3.3 (< 800 мA); LM2852 (2 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2593HV-ADJ (< 2 A) LM2671-3.3 (< 500 мA); LM2651-3.3 (< 1,5 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2673-3.3 (< 3 A)
Vccint 1,2 0,2-4 LP3874-ADJ (< 800 м^; LM2743 (> 4 A) LM2655 (< 2.5 A); LM2745 (> 2 A) LM2737 (> 4 A); У LM2647 (> 4 A)
Vccaux 2,5 0,3 LP3981-2.5; LM2619 LP2989-2.5; LM2619 LM2671-ADJ
1,2 LP3874-ADJ (< 800 м^; LM2743 (> 3 A) LP38841-1.2 (< 500 мA); LM2745 (> 2 A) LM2737 (> 3 A); У LM2647 (> 3 A)
XC3S1000; 1,5 LP3982-ADJ (< 300 м^; LP3874-ADJ (< 800 м^; LP3875-ADJ (< 1,3 A); LM3477A (1-3 A) LP3874-ADJ (< 500 мA); LM2852 (2 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2599-ADJ (< 3 A) LM2671-ADJ (< 500 мA); LM2653-ADJ (< 1,5 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2673-ADJ (< 3 A)
XC3S1500; XC3S2000; XC3S1200E; XC3S1600E; 1,8 LP2989LV (< 500 м^; LP3872-1.8 (< 15 A); LM3477A (1-3 A) LP3871-1.8 (< 600 мA); LM2852 (2 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2599-ADJ (< 3 A) LM2671-ADJ (< 500 мA); LM2651-1.8 (< 1,5 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2673-ADJ (< 3 A)
XC3S1500L; XC3S4000L Vcco 2,5 0,05-3 LP2989-2.5 (< 500 мA); LP3852-2.5 (< 1,5 A); LP3853-2.5 (< 3 A) LP3871-2.5 (< 700 мA); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2599-ADJ (< 3 A) LM2671-ADJ (< 500 мA); LM2651-2.5 (< 1,5 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2673-ADJ (< 3 A)
3 LP3856-ADJ (< 1 A); LP2975 (1-3 A) LP3874- ADJ (< 800 мA); LM2852 (2 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2599-ADJ (< 3 A) LM2671-ADJ (< 500 мA); LM2653-ADJ (< 1,5 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2673-ADJ (< 3 A)
3,3 - LP3871-3.3 (< 800 мA); LM2852 (2 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2599-3.3 (< 3 A) LM2671-3.3 (< 500 мA); LM2651-3.3 (< 1,5 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2673-3.3 (< 3 A)
Vccint 1,2 0,2-5 LP3874-ADJ (< 800 м^; LM2743 (> 5 A) LM2655 (< 2,5 A); LM2745 (> 2 A) LM2737 (> 5 A); У LM2647 (> 5 A)
Vccaux 2,5 0,3 LP3981-2.5; LM2619 LP2989-2.5; LM2619 LM2671-ADJ
1,2 LP3874-ADJ (< 800 м^; LM2743 (> 4 A) LP38841-1.2 (< 500 мA); LM2745 (> 2 A) LM2737 (> 4 A); У LM2647 (> 4 A)
1,5 LP3982-ADJ (< 300 м^; LP3874-ADJ (< 800 м^; LP3875-ADJ (< 1,3 A); LM3477A (1-4 A) LP3874-ADJ (< 500 мA); LM2852 (2 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2599-ADJ (< 3 A); LM2745 (> 2 A) LM2653-ADJ (< 1,5 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2673-ADJ (< 3 A); LM2679-ADJ (< 5 A); У LM2647 (2-4 A)
XC3S4000; XC3S5000 1,8 LP2989LV (< 500 м^; LP3872-1.8 (<1,5 A); LM3477A (1-3 A); LM2743 (2-4 A) LP3871-1.8 (< 600 мA); LM2852 (2 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2599-ADJ (< 3 A); LM2745 (> 2 A) LM2651-1.8 (< 1,5 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2673-ADJ (< 3 A); LM2679-ADJ (< 5 A); У LM2647 (2-4 A)
Vcco 2,5 0,05-5 LP2989-2.5 (< 500 мA); LP3852-2.5 (< 1,5 A); LP3853-2.5 (< 3 A); LM3477A (2-4 A) LP3871-2.5 (< 700 мA); LM2852 (2 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2599-ADJ (< 3 A); LM2745 (> 2 A) LM2651-2.5 (< 1,5 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2673-ADJ (< 3 A); LM2679-ADJ (< 5 A); У LM2647 (2-4 A)
3 LP3856-ADJ (< 1 A); LP2975 (1-4 A) LP3874- ADJ (< 800 мA); LM2852 (2 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2599-ADJ (< 3 A); LM2745 (> 2 A) LM2653-ADJ (< 1,5 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2673-ADJ (< 3 A); LM2679-ADJ (< 5 A); У LM2647 (2-4 A)
3,3 - LP3871-3.3 (< 800 мA); LM2852 (2 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2599-3.3 (< 3 A); LM2745 (> 2 A) LM2651-3.3 (< 1,5 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2673-3.3 (< 3 A); LM2679-3.3 (<5 A); У LM2647 (2-4 A)
параметров источников питания. Структура любой строки включает в себя несколько строк следующего уровня (подстрок), количество которых зависит от числа возможных значений напряжения питания для блоков ввода/ вывода, поддерживаемых ПЛИС выбранного семейства. В ячейках строки Vccint содержится информация о допустимых значениях напряжения и тока для источника питания ядра кристалла, а также о компонентах, предназначенных для его реализации. В строках Vcco приводятся сведения о возможных значениях напряжения источника питания для блоков ввода/вывода ПЛИС и микросхемах компании National Semiconductor, рекомендуемых для применения в составе этого источника. В тех случаях, когда для функционирования кристаллов программируемой логики необходим добавочный (вспомогательный) источник напряжения, используемый для питания некоторых специализированных архитектурных модулей, соответствующая информация приводится в строке Vccaux.
Чтобы выбрать микросхемы для всех необходимых источников питания ПЛИС, реализующей проектируемое устройство, необходимо открыть таблицу, соответствующую семейству, к которому относится используемый кристалл фирмы Xilinx. В этой таблице следует найти строку, в первой ячейке которой содержится условное обозначение данного кристалла. Затем нужно выбрать колонку, которая соответствует требуемому значению входного напряжения. Информация о наиболее подходящих вариантах компонентов, предлагаемых компанией National Semiconductor для реализации узла питания применяемой ПЛИС, содержатся в ячейках таблицы, которые расположены в выбранной колонке и относятся к строке, соответствующей выбранному типу кристалла. Далее, на основании оценок потребляемой мощности, полученных ранее с помощью средств XPower Estimator (XPE) и программы XPower Analyzer, входящей в состав систем проектирования серии Xilinx ISE (Integrated Software Environment/Integrated Synthesis Environment) [1, 2], и сведений о допустимых диапазонах значений выходного тока, приведенных в соответствующих ячейках таблицы, следует выбрать оптимальные микросхемы для реализации соответствующих источников питания ПЛИС. После этого нужно открыть файлы справочных данных для выбранных микросхем и ознакомиться с типовой схемой включения, а также с методикой расчета номинальных значений параметров дополнительных (внешних) элементов.
Для расчета параметров схем и последующего моделирования разрабатываемых источников питания можно также воспользоваться программными средствами WEBENCH компании National Semiconductor, свободный доступ к которым предоставлен на странице http://webench.national.com. Данные средства функционируют в on-line режиме при подключении компьютера к Интернету.
Интегральные микросхемы, рекомендуемые для применения в составе узлов питания ПЛИС семейств Бра^ап-З, Бра^ап-ЗЕ, Бра^ап^
Для питания кристаллов семейств Spartan-3, Spartan-3E, Spartan-3L необходимо, как правило, не менее трех источников напряжения.
Номинальное значение напряжения питания ядра ПЛИС Vccint составляет 1,2 В [11, 14], а потребляемый ток зависит от конкретного типа кристалла и реализуемого проекта. Питание выходных каскадов блоков ввода/вывода осуществляется от источника Уах>, значение напряжения которого зависит от выбранного сигнального стандарта. Использование технологии SelectI/O в кристаллах семейств
Spartan-3
FPGA
-Ї*С12
' 470 мкФ
■^сіз T0-1
J_mkO> -рС14 _ 10 нф
ON PG— -ф-LP3988-2.5
Рис. 14. Схема типового узла питания ПЛИС серии Spartan-3
Spartan-3, Spartan-3E, Spartan-3L позволяет поддерживать широкий спектр однополюсных и дифференциальных цифровых сигнальных стандартов ввода/вывода, в частности, LVTTL (Low-Voltage Transistor-Transistor Logic), LVCMOS12 (Low-Voltage CMOS), LVCMOS15, LVCMOS18, LVCMOS25, LVCMOS33, GTL (Gunning Transceiver Logic), GTL+, SSTL2 (Stub Series Terminated Logic) (Class I), SSTL2(Class II), SSTL18 (Class I), HSTL (High-Speed Transceiver Logic) (Class I), HSTL (Class III), PCI 3.3, AGP, CTT, LVDS (Low-Voltage Differential Signaling), LDT (Lightning Data Transport), LVPECL (Low-Voltage Positive Emitter-Coupled Logic), RSDS (Reduced-Swing Differential Signaling). Таким образом, для питания выходных каскадов блоков ввода/вывода может потребоваться источник, значение выходного напряжения которого составляет 1,2; 1,5; 1,8; 2,5; 3,0 или 3,3 В. Если в проектируемом устройстве блоки ввода/вывода ПЛИС, относящиеся к разным банкам, конфигурируются в соответствии с различными сигнальными стандартами, для которых необходимы различающиеся значения напряжения питания, то в составе разрабатываемого узла питания этого кристалла должно присутствовать соответствующее число источников Vcco с требуемыми уровнями выходных напряжений.
Для функционирования некоторых модулей ПЛИС рассматриваемых семейств, выполняющих специальные функции (например, цифровых блоков управления синхронизацией Digital Clock Manager, DCM, контроллера JTAG-интерфейса), требуется дополнительное напряжение питания Vccaux, которое составляет 2,5 В. Информация о микросхемах компании National Semiconductor,
которые могут применяться в составе узлов Примером типового узла питания ПЛИС питания ПЛИС семейств Spartan-3, Spartan-3E, серии Spartan-3, выполненного на основе
Spartan-3L, представлена в таблице 1. компонентов компании National Semicon-
Таблица. 2. Интегральные микросхемы, предлагаемые компанией National Semiconductor для применения в составе узлов питания ПЛИС семейства Spartan-IIE
Тип ПЛИС Напряжение источника питания ПЛИС, В Выходной ток, А Входное напряжение Vin = 3,3 В Входное напряжение Vin = 4,5-5,5 В Входное напряжение Vin = 12 В
Vccint 1,8 0,2-2 LP2989LV (< 500 мА); LP3872-1.8 (< 1,5 А); LM3477A (1-2 A) LP3871-1.8 (< 600 мА); LM2852 (2 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2593HV-ADJ (< 2 A) LM2671-ADJ (< 500 мА); LM2651-1.8 (< 1,5 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2673-ADJ (< 3 A)
XC2S50E; XC2S100E; XC2S150E; XC2S200E; XC2S300E 1,5 LP2985-1.5 (< 150 мА); LP2992-1.5 (< 250 мА); LP2960 (< 500 мА); LM3670 (< 350 мА); LM3671 (< 600 мА) LM3670 (< 350 мА); LM3671 (< 600 мА); LM2736 (< 750 мА); LM2734 (< 1 A) LM2671-ADJ (< 500 мА); LM2736 (< 750 мА); LM2734 (< 1 A)
Vcco 1,8 0,05-0,5 LP2985-1.8 (< 150 мА); LP2992-1.8 (< 250 мА); LP2989LV (< 500 мА); LM3670 (< 350 мА); LM3671 (< 600 мА) LM3670 (< 350 мА); LM3671 (< 600 мА); LM2736 (< 750 мА); LM2734 (< 1 A) LM2671-ADJ (< 500 мА); LM2736 (< 750 мА); LM2734 (< 1 A)
2,5 LP3988-2.5 (< 150 мА); LP3981-2.5 (< 300 мА); LP2989-2.5 (< 500 мА); LM3670 (< 350 мА); LM3671 (< 600 мА) LP2992-2.5 (< 250 мА); LP2989-2.5 (< 500 мА); LM3670 (< 350 мА); LM3671 (< 600 мА) LM2671-ADJ (< 500 мА); LM2736 (< 750 мА); LM2734 (< 1 A)
3,3 - LP2992-3.3 (< 250 мА); LM3670 (< 350 мА); LM3671 (< 600 мА) LM2671-3.3 (<500 мА); LM2736 (< 750 мА); LM2734 (< 1 A)
Vccint 1,8 0,2-3 LP2989LV (< 500 мА); LP3872-1.8 (< 1,5 А); LM3477A (1-3 A) LP3871-1.8 (< 600 мА); LM2852 (2 A); LM1770 (< 3 A); LM2599-ADJ (< 3 A) LM2671-ADJ (< 500 мА); LM2651-1.8 (< 1,5 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2673-ADJ (< 3 A)
1,5 LP2985-1.5 (< 150 мА); LP2992-1.5 (< 250 мА); LP2960 (< 500 мА); LM3670 (< 350 мА); LM3671 (< 600 мА); LP3874-ADJ (< 800 мА) LM3670 (< 350 мА); LM3671 (< 600 мА); LM2852 (2 A); LM2736 (< 750 мА); LM2734 (< 1 A) LM2671-ADJ (< 500 мА); LM2672-ADJ (< 1 A); LM2736 (< 750 мА); LM2734 (< 1 A)
XC2S400E; XC2S600E Vcco 1,8 0,05-0,75 LP2985-1.8 (< 150 мА); LP2992-1.8 (< 250 мА); LP2989LV (< 500 мА); LM3670 (< 350 мА); LM3671 (< 600 мА); LP3871-1.8 (< 800 мА) LM3670 (< 350 мА); LM3671 (< 600 мА); LM2852 (2 A); LM2736 (< 750 мА); LM2734 (< 1 A) LM2671-ADJ (< 500 мА); LM2672-ADJ (< 1 A); LM2736 (< 750 мА); LM2734 (< 1 A)
2,5 LP3988-2.5 (< 150 мА); LP3981-2.5 (< 300 мА); LP2989-2.5 (< 500 мА); LM3670 (< 350 мА); LM3671 (< 600 мА); LP3871-2.5 (< 800 мА) P2992-2.5 (< 250 мА); LP2989-2.5 (< 500 мА); LM3670 (< 350 мА); LM3671 (< 600 мА); LP3871-2.5 (< 800 мА); LM2852 (2 A) LM2671-ADJ (< 500 мА); LM2672-ADJ (< 1 A); LM2736 (< 750 мА); LM2734 (< 1 A)
3,3 - LP2992-3.3 (< 250 мА); LM3670 (< 350 мА); LM3671 (< 600 мА); LP3871-3.3 (< 800 мА); LM2852 (2 A) LM2671-3.3 (< 500 мА); LM2672-3.3 (< 1 A); LM2736 (< 750 мА); LM2734 (< 1 A)
Рис. 15. Схема типового узла питания ПЛИС семейства Spartan-IIE
Spartan-IIE FPGA
ductor, является принципиальная схема, приведенная на рис. 14. Значение входного напряжения VIN для этого узла составляет 5 В. Формирование напряжения питания для ядра кристалла Vccint осуществляется источником, выполненным на основе импульсного преобразователя LM2655 и обеспечивающим ток нагрузки 1,8 А. Источник питания выходных каскадов блоков ввода/вывода Vcco с выходным напряжением 3,3 В, входящий в состав этого узла, реализован на базе интегрального стабилизатора LM2651-3.3, поддерживающего выходной ток 1,2 А. Сформированное напряжение 3,3 В используется также в качестве входного для дополнительного (вспомогательного) источника питания Vccaux. Функции этого источника выполняет линейный стабилизатор с ультранизким падением напряжения на регулирующем элементе LDO (Low Dropout Output) LP3988-2.5, который обеспечивает ток нагрузки до 150 мА.
Выбор компонентов
для разработки узлов питания
ПЛИС семейства Spartan-IIE
Узлы питания ПЛИС семейства Spartan-IIE в большинстве случаев должны осуществлять формирование двух значений напряжения — Vccint и Vcco — в соответствии с требованиями, приведенными в [23]. Источник питания ядра кристаллов данного семейства Vccint должен обеспечивать номинальное значение напряжения, равное 1,8 В. Требуемое значение выходного тока этого источника определяется конкретным типом ПЛИС и параметрами реализуемого проекта (в частности, тактовой частотой и объемом используемых логических ресурсов). Блоки ввода/вывода кристаллов семейства Spartan-IIE могут функционировать в соответствии с различными цифровыми сигнальными стандартами, включая спецификации LVTTL, LVCMOS2, LVCMOS18, PCI 3, GTL, GTL+, HSTL (Class I), HSTL (Class III), HSTL (Class IV), SSTL2 (Class I), SSTL2 (Class II), SSTL3 (Class I), SSTL3 (Class II), CTT, AGP, LVDS, Bus LVDS,
LVPECL [24]. При конфигурировании пользовательских выводов ПЛИС в соответствии со стандартами PCI, LVTTL, SSTL3 (Class I), SSTL3 (Class II), CTT, AGP, LVPECL напряжение питания выходных каскадов блоков ввода/вывода Vcco должно составлять 3,3 В. Для поддержки стандартов SSTL2 (Class I), SSTL2 (Class II), LVCMOS2, LVDS, Bus LVDS требуется напряжение питания выходных каскадов блоков ввода/вывода, равное 2,5 В. Если в проектируемом устройстве, реализуемом на базе кристалла конфигурируемой логики, используется цифровой сигнальный стандарт LVCMOS18, то для питания выходных каскадов блоков ввода/вывода необходим источник с выходным напряжением 1,8 В. Когда пользовательские выводы конфигурируются в соответствии со спецификацией HSTL (Class I), HSTL (Class III) или HSTL (Class IV), то выходное напряжение источника Vcco должно быть равным 1,5 В. Для сигнальных стандартов GTL, GTL+ могут использоваться различные, перечисленные выше, значения напряжения питания блоков ввода/вывода. Чтобы выбрать для реализации источников питания ядра ПЛИС семейства Spartan-IIE и блоков ввода/вывода наиболее подходящие компоненты из широкого спектра мик-
росхем, выпускаемых компанией National Semiconductor, следует воспользоваться таблицей 2.
В качестве примера типового узла питания для кристалла семейства Spartan-IIE, реализованного на основе микросхем компании National Semiconductor, на рис. 15 приведена принципиальная схема. Ее можно использовать при конфигурировании блоков ввода ПЛИС в соответствии с сигнальными стандартами, требующими напряжения Vcco, равного 1,5 В. Основным элементом представленной схемы является импульсный преобразователь напряжения LM2655. Данный узел формирует напряжения питания ядра кристалла Vccint и блоков ввода/вывода Vcco из входного напряжения VIN, значение которого составляет 12 В. При этом значения выходного тока источников Vccint и Vcco могут достигать 2 и 0,5 А соответственно.
Интегральные микросхемы, предназначенные для разработки узлов питания ПЛИС семейства Spartan-II
Структура узлов питания кристаллов программируемой логики семейства Spartan-II
Таблица. 3. Интегральные микросхемы компании National Semiconductor, рекомендуемые для использования в составе узлов питания ПЛИС семейства Spartan-II
Тип ПЛИС Напряжение источника питания ПЛИС, В Выходной ток, А Входное напряжение VIN = 3,3 В Входное напряжение Vin = 4,5-5,5 В Входное напряжение Vin = 12 В
Vccint 2,5 0,2-2 LP2989-2.5 (< 500 мА); LP3852-2.5 (< 1,5 А); LP3853-2.5 (< 3 А) LP3871-2.5 (< 700 мА); LM2852 (< 2 A); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2593HV-ADJ (< 2 A) LM2671-ADJ (< 500 мА); LM2651-2.5 (< 1,5 А); LM2650-ADJ (< 3 A); LM2673-ADJ (< 3 A)
XC2S15; XC2S30; XC2S50; XC2S100; XC2S150; XC2S200 1,5 LP2985-1.5 (< 150 мА); LP3982-ADJ (< 300 мА); LP2960 (< 500 мА); LM3670 (< 350 мА); LM3671 (< 600 мА); LM2852 (< 2 A) LM3670 (< 350 мА); LM3671 (< 600 мА); LM2852 (< 2 A) LM2671-ADJ (< 500 мА)
Vcco 2,5 0,05-0,5 LP3988-2.5 (< 150 мА); LP3981-2.5 (< 300 мА); LP2989-2.5 (<500 мА); LM3670 (< 350 мА); LM3671 (< 600 мА); LM2852 (< 2 A) LP2992-2.5 (< 250 мА); LP2989-2.5 (< 500 мА); LM2619 (50-500 мА); LM3670 (< 350 мА); LM3671 (< 600 мА); LM2852 (< 2 A) LM2671-ADJ (< 500 мА)
3,3 - LP3988-3.3 (< 150 мА); LP3981-3.3 (< 300 мА); LM3670 (< 350 мА); LM3671 (< 600 мА); LM2852 (< 2 A) LM2671-3.3 (< 500 мА)
R2
10 кОм
п
U1
SD
V,M
GND
Vqut
SENS/ERROR
LP3873
C2
10
мкФ
U2
SD V,N GND Vout ■ SENS/ERROR LP3873
Q1
SI2333DS
C4
100
мкФ
I
§
_L C3 470 мкФ
Spartan-ll
FPGA
5'
R3
120 кОм
C4
100 мкф
Рис. 16. Схема типового узла питания ПЛИС семейства Spartan-II
включает в себя те же источники напряжения (Vccint и Vcco), что и для ПЛИС семейства Spartan-ПE. Основное отличие заключается в значениях формируемых напряжений. Для питания ядра кристаллов семейства Spartan-П необходим источник с номинальным значением выходного напряжения 2,5 В
[25]. Блоки ввода/вывода ПЛИС этого семейства поддерживают уровни входных и выходных сигналов, соответствующих спецификациям стандартов LVTTL, LVCMOS2, PCI 3, GTL, GTL+, HSTL (Class I), HSTL (Class III), HSTL (Class IV), SSTL2 (Class I), SSTL2 (Class II), SSTL3 (Class I), SSTL3 (Class II), CTT,
AGP [26]. Таким образом, для питания выходных каскадов блоков ввода/вывода могут потребоваться источники, формирующие напряжение 1,5 В (при конфигурировании в соответствии с цифровыми сигнальными стандартами HSTL (Class I), HSTL (Class III), HSTL (Class IV), GTL, GTL+), 2,5 В (при конфигурировании в соответствии со спецификациями SSTL2 (Class I), SSTL2 (Class II), LVCMOS2, GTL, GTL+) и 3,3 В (для поддержки стандартов PCI, LVTTL, SSTL3 (Class I), SSTL3 (Class II), CTT, AGP, GTL, GTL+). В таблице 3 содержится информация о возможных вариантах использования микросхем компании National Semiconductor для реализации узлов питания ПЛИС семейства Spartan-II.
Пример узла питания, предназначенного для кристаллов семейства Spartan-II, показан на рис. 16. Изображенная на рисунке схема включает в себя два интегральных стабилизатора линейного типа с низким падением напряжения на регулирующем элементе LP3873. Один из этих стабилизаторов используется в составе схемы источника питания ядра ПЛИС Vccint, обеспечивающего ток нагрузки 2 А. Второй стабилизатор — LP3873 — выполняет функцию формирователя напряжения питания выходных каска-
Таблица. 4. Интегральные микросхемы компании National Semiconductor, предлагаемые для применения в составе узлов питания ПЛИС семейства Virtex-5 LX
Тип ПЛИС Напряжение источника питания ПЛИС, В Выходной ток, А Входное напряжение Vin = 3,3 В Входное напряжение Vin = 4,5-5,5 В Входное напряжение Vin = 8-14 В
Vccint 1 0,2-3 LM2830 (< 1 A); LM2853 (< 3 A); LM3475 (< 7 A) LM2830 (< 1 A); LM2853 (< 3 A); LM1771 (< 6 A) LM2734 (< 1 A); LM3100 (< 1,5 A); LM2747 (> 1,5 A)
Vccaux 2,5 0,3-3 LP3982-2.5 (< 300 мА); LM1771 (< 6 A) LM3670 (< 300 мА); LM1771 (< 6 A) LM2734 (< 1 A); LM2696 (< 3 A)
1,2 LP3875-ADJ (< 800 мА); LM2832 (< 2 A) LP3879-1.2 (< 800 мА); LM2852 (< 2 A) LM2734 (< 1 A); LM2673 (< 3 A)
XC5VLX30 1,5 LM3674-1.5 (< 600 мА); LP3875-ADJ (< 1 А); LM2830 (< 1 A); LM2852 (< 2 A) LM3674-1.5 (< 600 мА); LP3874-ADJ (< 800 мА); LM2830 (< 1 A); LM2852 (< 2 A) LM2734 (< 1 A); LM2673 (< 3 A)
Vcco 1,8 0,05-2 LM3674-1.8 (< 600 мА); LP3875-1.8 (< 1 А); LM2830 (< 1 A); LM2852 (< 2 A) LM3674-1.8 (< 600 мА); LP3874-1.8 (< 800 мА); LM2830 (< 1 A); LM2852 (< 2 A) LM2734 (< 1 A); LM2673 (< 3 A)
2.5 В LM3671-2.5 (< 600 мА); LP3874-2.5 (< 800 мА); LM2830 (< 1 A); LM2852 (< 2 A) LP3870-2.5 (< 300 мА); LP3875-2.5 (< 1 A); LM2831 (< 1,5 А); LM2852 (< 2 A) LM2734 (< 1 A); LM2673 (> 1 A)
3.3 В - LM3674- ADJ (< 600 мА); LP3875-3.3 (< 1 A); LM2830 (< 1 A); LM2852 (< 2 A) LM2734 (< 1 A); LM2673 (> 1 A)
Vccint 1 0,2-4 LM2830 (< 1 A); LM2832 (< 2 A); LM2852 (< 2 A); LM3475 (< 7 A) LM2831 (< 1,5 A); LM2852 (< 2 A); LM2853 (< 3 A); LM1771 (< 6 A) LM2734 (< 1 A); LM3100 (< 1,5 A); LM2747 (> 1,5 A)
Vccaux 2,5 0,3-3 LP3981-2.5 (< 300 мА); LM2831 (< 1,5 A); LM2853 (< 3 A) LM3671-2.5 (< 600 мА); LM2852 (< 2 A); LM1771 (< 6 A) LM2734 (< 1 A); LM2696 (< 3 A)
1,2 LP3879-1.2 (< 800 мА); LM2853 (< 3 A) LM2831 (< 1,5 A); LM2853 (< 3 A) LM2734 (< 1 A); LM2673 (< 3 A)
XC5VLX50 1,5 LM3674-1.5 (< 600 мА); LP3875-ADJ (< 1 А); LM2830 (< 1 A); LM1771 (< 6 A) LM3674-1.5 (< 600 мА); LP3874-ADJ (< 800 мА); LM2831 (< 1,5 A); LM2853 (< 3 A) LM2734 (< 1 A); LM2673 (< 3 A)
Vcco 1,8 0,05-3 LP3874-1.8 (< 800 мА); LP3875-1.8 (< 1 А); LM2831 (< 1,5 A); LM2853 (< 3 A) LM3674-1.8 (< 600 мА); LP3874-1.8 (< 800 мА); LM2831 (< 1,5 A); LM2853 (< 3 A) LM2734 (< 1 A); LM2673 (< 3 A)
2,5 LP3874-2.5 (< 800 мА); LP3875-2.5 (< 1 А); LM2852 (< 2 A); LM2853 (< 3 A) LP3874-2.5 (< 800 мА); LM2830 (< 1 A); LM2832 (< 2 A); LM2853 (< 3 A) LM2734 (< 1 A); LM2673 (< 3 A)
3,3 - LP3874-3.3 (< 800 мА); LM2830 (< 1 A); LM2852 (< 2 A); LM2853 (< 3 A) LM2734 (< 1 A); LM2673 (< 3 A)
Vccint 1 0,2-5 LP3875-ADJ (< 1 А); LM2853 (< 3 A); LM1771 (< 6 A); LM3475 (< 7 A) LM2830 (< 1 A); LM2852 (< 2 A); LM1771 (< 6 A); LM3475 (< 7 A) LM2734 (< 1 A); LM3100 (< 1,5 A); LM2747 (> 1,5 A)
Vccaux 2,5 0,3-3 LP3981-2.5 (< 300 мА); LM3671-2.5 (< 600 мА); LM1771 (< 6 A) LP3981-2.5 (< 300 мА); LM3671-2.5 (< 600 мА); LM1771 (< 6 A) LM2734 (< 1 A); LM2696 (< 3 A)
1,2 LP3879-1.2 (< 800 мА); LM1771 (< 6 A) LM2853 (< 3 A); LM3475 (< 7 A) LM2734 (< 1 A); LM2679 (> 1 A)
XC5VLX110; XC5VLX220; 1,5 LP3875-ADJ (< 1 А); LM2853 (< 3 A); LM1771 (< 6 A); LM3475 (< 7 A) LP3874-ADJ (< 800 мА); LM2832 (< 2 A); LM1771 (< 6 A); LM3475 (< 7 A) LM2734 (< 1 A); LM2679 (> 1 A)
XC5VLX330 Vcco 1,8 0,05-5 LP3875-1.8 (< 1 А); LM2852 (< 2 A); LM1771 (< 6 A); LM3475 (< 7 A) LM2831 (< 1,5 A); LM2853 (< 3 A); LM1771 (< 6 A); LM3475 (< 7 A) LM2734 (< 1 A); LM2679 (> 1 A)
2,5 LP3875-2.5 (< 1 А); LM2830 (< 1 A); LM1771 (< 6 A); LM3475 (< 7 A) LP3875-2.5 (< 1 А); LM2852 (< 2 A); LM2853 (< 3 A); LM1771 (< 6 A) LM2734 (< 1 A); LM2679 (> 1 A)
3,3 - LM2830 (< 1 A); LM2853 (< 3 A); LM1771 (< 6 A); LM3475 (< 7 A) LM2734 (< 1 A); LM2679 (> 1 A)
дов блоков ввода/вывода Vcco, равного 1,5 В, с выходным током 0,5 А. Представленная схема узла питания предназначена для работы от источника входного напряжения VIN, равного 3,3 В.
Компоненты для применения в составе узлов питания ПЛИС семейства Virtex-5 LX
Для организации питания ПЛИС семейства Virtex-5 LX, в большинстве случаев, требуется не менее трех источников с различными значениями выходного напряжения. Источник питания ядра кристалла Vccint должен обеспечивать номинальное значение выходного напряжения 1 В [16]. Значение тока, потребляемого от этого источника, находится в диапазоне от 0,2 до 5 А, в зависимости от конкретного типа кристалла и параметров реализуемого проекта (в частности, тактовой частоты и объема используемых логических ресурсов).
Требования к выходному напряжению источника питания для выходных каскадов блоков ввода/вывода Vcco определяются сигнальным стандартом, в соответствии с которым конфигурируются пользовательские входы и выходы ПЛИС. Применение усовершенствованной технологии SelectI/O в кристаллах семейства Virtex-5 предоставляет возможность поддержки блоками ввода/вывода следующих однополюсных цифровых сигнальных стандартов: LVTTL, LVCMOS12, LVCMOS15, LVCMOS18, LVCMOS25, LVCMOS33, PCI 3.3, PCI-X, GTL, GTL+, HSTL15 (Class I), HSTL15 (Class II), HSTL15 (Class III), HSTL15 (Class IV), HSTL18 (Class I), HSTL18 (Class II), HSTL18 (Class III), HSTL18 (Class IV), HSTL12 (Class I), SSTL25 (Class I), SSTL25 (Class II), SSTL18 (Class I), SSTL18 (Class II). Кроме того, пользовательские выводы ПЛИС этого семейства могут конфигурироваться соответствующим образом для приема или передачи дифференциальных сигналов, предусмотренных стандартами LVDS, Extended LVDS, Bus LVDS, ULVDS, Hypertransport, Differential HSTL15 (Class I), Differential HSTL15 (Class II), Differential HSTL18 (Class I), Differential HSTL18 (Class II), Differential SSTL18 (Class I), Differential SSTL18 (Class II), Differential SSTL25 (Class I), Differential SSTL25 (Class II), RSDS [27]. Поэтому для питания выходных каскадов блоков ввода/вывода могут потребоваться источники с выходным напряжением 1,2; 1,5; 1,8; 2,5 и 3,3 В.
В составе узла питания кристаллов семейства Virtex-5 должен также присутствовать дополнительный (вспомогательный) источник Vccaux, номинальное значение выходного напряжения которого равно 2,5 В. Этот источник необходим для отдельных модулей ПЛИС, осуществляющих специальные функции.
Для выбора наиболее подходящих интегральных микросхем компании National Semiconductor, на базе которых могут быть реализованы перечисленные выше источ-
ники напряжения, следует воспользоваться таблицей 4.
В качестве примера типового узла питания для ПЛИС семейства Virtex-5 LX, выполненного на основе микросхем компании National Semiconductor, на рис. 17 показана принципиальная схема. Ее можно использовать совместно с входным источником VIN, напряжение которого находится в диапазоне от 4,5 до 5,5 В.
Представленный узел питания включает в себя источники, формирующие напряжения Vccint и Vccaux при выходном токе 2 и 3 А соответственно, а также напряжение для выходных каскадов блоков ввода/вывода Vcco,
равное 3,3 В при токе нагрузки до 5 А. Все три источника напряжения, входящие в состав этого узла, реализованы на базе трех различных вариантов импульсного контроллера LM1771. Данные микросхемы обладают возможностью разрешения/запрета выхода. Состояние выхода каждого импульсного контроллера определяется уровнем сигнала, который поступает на соответствующий управляющий вход Е№ Эти входы разрешения можно использовать для управления последовательностью включения выходных напряжений узла питания ПЛИС. Вариант схемы модуля управления последовательностью включения выходных напряжений,
ПЛИС
предназначенной для типового узла питания ПЛИС семейства Virtex-5 LX, представленного на рис. 17, изображен на рис. 18.
Данный модуль управления выполнен на базе специализированной микросхемы LM3880, которую также выпускает компания National Semiconductor. ■
Окончание следует.
Литература
1. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на основе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР WebPack ISE. М.: Горячая линия - Телеком, 2003.
2. Зотов В. Проектирование встраиваемых микропроцессорных систем на основе ПЛИС фирмы Xilinx. М.: Горячая линия - Телеком, 2006.
3. Зотов В. Инструментальный комплект Spartan-3 Starter Kit для практического освоения методов проектирования встраиваемых микропроцессорных систем на основе ПЛИС семейств FPGA фирмы Xilinx // Компоненты и технологии. 2005. № 7.
4. Зотов В. Новый инструментальный комплект Spartan-3E Starter Kit для практического освоения методов проектирования встраиваемых микропроцессорных систем на основе ПЛИС семейств FPGA фирмы Xilinx // Компоненты и технологии. 2006. № 10.
5. Зотов В. Новый инструментальный комплект Spartan-3A Starter Kit для практического освоения методов проектирования и отладки цифровых устройств с аппаратной и программной реализацией операций, реализуемых на основе ПЛИС семейств FPGA фирмы Xilinx // Компоненты и технологии. 2007. № 9.
6. Зотов В. Новый инструментальный комплект от компании Avnet на основе ПЛИС FPGA семейства Spartan-3A фирмы Xilinx // Компоненты и технологии. 2008. № 8.
. С9
' 0,1 мкФ
U4
- Vcc FLAG3-
- GND FLAG2-
- EN FLAG1-
-<ш>
-C1nT>
LM3880
Рис. 18. Схема управления последовательностью включения выходных напряжений для типового узла питания ПЛИС семейства Virtex-5 LX
7. Зотов В. Инструментальный модуль компании Avnet для отладки проектов встраиваемых систем, разрабатываемых на базе нового семейства ПЛИС FPGA фирмы Xilinx Virtex-5 FXT // Компоненты и технологии. 2008. № 9.
8. Кузелин М. О., Кнышев Д. А., Зотов В. Ю. Современные семейства ПЛИС фирмы Xilinx / Справочное пособие. М.: Горячая линия -Телеком, 2004.
9. Spartan-6 FPGA Data Sheet: DC and Switching Characteristics. Xilinx, 2009.
10. Spartan-3A DSP FPGA Family: DC and Switching Characteristics. Xilinx, 2009.
11. Spartan-3 FPGA Family: DC and Switching Characteristics. Xilinx, 2008.
12. Spartan-3A FPGA Family: DC and Switching Characteristics. Xilinx, 2009.
13. Spartan-3AN FPGA Family: DC and Switching Characteristics. Xilinx, 2008.
14. Spartan-3E FPGA Family: DC and Switching Characteristics. Xilinx, 2009.
15. Virtex-6 FPGA Data Sheet: DC and Switching Characteristics. Xilinx, 2009.
16. Virtex-5 Data Sheet: DC & Switching Characteristics. Xilinx, 2009.
17. Virtex-4 Data Sheet: DC & Switching Characteristics. Xilinx, 2009.
18. Virtex-II Platform FPGAs: DC and Switching Characteristics. Xilinx, 2007.
19. Virtex-II Pro and Virtex-II Pro X Platform FPGAs: DC and Switching Characteristics. Xilinx, 2007.
20. Virtex-E Extended Memory 1.8V FPGA: DC and Switching Characteristics. Xilinx, 2003.
21. Virtex-E 1.8V FPGA: DC and Switching Characteristics. Xilinx, 2003.
22. Xilinx XAPP389 — Powering CoolRunner-II CPLDs. Xilinx, 2007.
23. Spartan-IIE 1.8V FPGA Family: DC and Switching Characteristics. Xilinx, 2002.
24. Spartan-IIE 1.8V FPGA Family: Functional Description. Xilinx, 2002.
25. Spartan-II 2.5V FPGA Family: DC and Switching Characteristics. Xilinx, 2002.
26. Spartan-II 2.5V FPGA Family: Functional Description. Xilinx, 2002.
27. Virtex-5 Family Overview. Xilinx, 2009.
