전원 공급 장치 무결성

적절한 우회 및 분리 기술은 신뢰할 수 있는 설계 작업에 중요한 전반적인 전원 공급 장치 신호 무결성을 향상시킵니다. 이러한 기술은 전원 공급 전류 요구 사항 증가와 전원 공급 장치에서 부하 지점(일반적으로 FPGA 또는 CPLD 장치)까지의 거리가 증가함에 따라 더욱 중요해집니다. 설계자가 고려해야 할 우회 및 분리 기술의 유형은 시스템 설계 및 보드 요구 사항에 따라 달라집니다.

출력 버퍼가 상태를 변경하면(예: 출력 핀을 논리적 고음에서 논리적 으로 낮음으로 구동)하는 경우 출력 구조는 일시적으로 전원 공급 레일에서 지면까지 구조물을 가로지르는 낮은 임피던스 경로를 제공합니다. 이러한 출력 전환으로 인해 출력이 충전되거나 방전되므로 필요한 전압 레벨에 도달하기 위해 출력 부하에서 전류를 즉시 사용할 수 있어야 합니다. 바이패스 커패시터는 이 현재 과도에 필요한 저장된 에너지를 로컬로 제공합니다.

이 에너지 저장 시스템의 일시적인 응답은 큰 주파수 및 부하 범위를 커버해야 합니다. 따라서 스토리지 시스템은 다양한 커패시터 유형으로 구성되어야 합니다. 시리즈 유도가 낮은 소형 커패시터는 고주파 전환을 위한 빠른 전류를 제공할 수 있습니다. 고주파 커패시터가 에너지 매장의 고갈된 후에도 대형 커패시터는 전류를 계속 공급하고 있습니다. 도 1은 주파수 및 부하 범위에 대해 설계된 일반적인 에너지 저장 시스템을 보여줍니다. 일반적인 설계에는 1KHz에서 500MHz에 이르는 주파수가 있는 커패시터가 필요합니다.

• 0.001 ~ 0.1 μF
• 47 ~ 100 μF
• 470 ~ 3,300 μF

그림 1. 일반적인 에너지 저장 시스템.

장치에 사용되는 논리및 출력 스위칭 요구 사항은 분리 요구 사항을 정의합니다. I/O 핀의 수와 핀의 정전 용량 부하가 증가함에 따라 추가 분리 정전 용량이 필요합니다. 설계자는 V_CCINT,V_CCIO및 접지 핀/평면에 가능한 한 0.2 μF 전원 공급 장치 분리 커패시터를 추가해야 합니다. 이상적으로, 이러한 작은 커패시터는 장치에 가능한 한 가깝게 위치해야합니다. 설계자는 각 V_CCINT 또는 V_CCIO및 접지 핀 쌍을 0.2-μF 커패시터로 분리할 수 있습니다. 설계가 볼 그리드 어레이(BGA) 패키지와 같은 고밀도 패키지를 사용하는 경우 V_{CCINT/V CCIO} 및 접지 핀 쌍당 하나의 분리 커패시터를 사용하기 어려울 수 있습니다. 이러한 경우 설계자는 레이아웃에서 허용하는 만큼 분리 커패시터를 사용하기 위해 모든 노력을 기울입니다. 분리 커패시터는 모놀리식 세라믹 커패시터와 같은 주파수 응답이 양호해야 합니다.

커패시터 선택 및 배치

적절한 배치 및 위치는 고주파 커패시터(0.001 ~ 0.1 μF 낮은 인덕턴스 세라믹 칩)에 매우 중요합니다. 설계자는 커패시터 단자에서 장치 전원 핀으로 경로의 인덕트를 줄이기 위해 가능한 경우 추적 길이를 최소화해야 합니다. 여기에는 고체 구리 평면의 1인치 유도가 약 1nH인 고체 접지 또는 동력 평면(V_CCINT 또는 V_CCIO)을통과하는 경로가 포함됩니다. 바이패스 커패시터 바이패스는 지상, V_CCINT또는 V_CCIO 비행기로 직접 라우팅해야 합니다. 다른 커패시터 유형(47~ 100μF 중주파수 및 470 ~3,300 μF 저주파 커패시터)은 "벌크" 커패시터라고 하며 보드의 모든 곳에 장착할 수 있다. 그러나 설계자는 가능한 한 장치에 가까운 대량 커패시턴스를 찾아야 합니다. V_CCINT 또는 V_CCIO 고주파 우회 커패시터를 PCB에 연결된 V_CCINT 또는 V_CCIO 핀의 1센티미터 내에 배치합니다. V_CCINT 또는 V_CCIO 중주파수 바이패스 커패시터는 V_CCINT 또는 V_CCIO 핀의 3cm 이내에 배치되어야 합니다.

V_CCINT 바이패스 정전시

Stratix® II의 경우, 서로 다른 아키텍처 피처 내의 개별 논리 배열 구조는 매우 짧은 기간(< 50ps)에 대해 매우 작은 전류(피코앰프 이하)를 수행합니다. 이러한 전류는 작지만 전체 장치에 추가하면 현재의 여러 앰퍼까지 추가할 수 있습니다. 이러한 분 전류 전환이 초당 수억 번 발생할 수 있다는 점을 고려하면 이러한 전환을 수행하는 수백만 개의 개별 스위치가 존재할 수 있음을 고려할 때, 우회 커패시터 계산은 평균 에너지 저장 요구 사항을 기반으로 합니다. 고주파 커패시터 값은 다음과 같은 근사치로 평가될 수 있습니다.

로직 어레이 파워 = V_CCINT² × 클럭 주파수× 등가 전환 로직 어레이 커패시턴스

또는

등가 전환 로직 어레이 커패시턴 = (로직 어레이 파워) / (V_CCINT² × 클럭 주파수)

해당 전환 된 논리 배열 커패시턴스는 V_CCINT에의해 구동되는 전체 Stratix II 논리 배열의 동등한 전환 커패시턴스입니다. 전력 노이즈를 줄이기 위해 V_CCINT 전원 공급 장치 우회 커패시터는 동등한 전환 된 로직 어레이 커패시터보다 훨씬 커야 합니다. 고주파 바이패스 커패시터는 동등한 전환 된 로직 어레이 커패시턴스보다 25 ~ 100 배 커야합니다. 50의 계수는 V_CCINT의2% 변형을 초래할 것이다.

고주파 우회 정전 용량 = <25 ~ 100> × 동등한 전환 된 로직 어레이 커패시턴스

모든 V_CCINT 및 접지 핀 쌍에는 고주파 바이패스 커패시터가 있어야 합니다. 각 고주파 우회 커패시터의 최적의 크기를 결정하기 위해 총 고주파 우회 커패시턴스를 장치의 V_CCINT 핀 수로 나누고 일반적으로 사용되는 다음 값으로 반올림합니다. 따라서 각 고주파 V_CCINT 커패시터의 최소 크기는 다음과 같은 것입니다.

다음 예제를 고려하십시오.

• 장치 V_CCINT 전원 = 5W
  
• V_CCINT = 1.2 V
• 시스템 클럭 주파수 = 150MHz
• 고주파 바이패스 커패시터 승수 = 50
• 장치 V_CCINT 핀 수 = 36

커패시터 크기는 0.032 μF 이상이어야 합니다. 이 예제를 감안할 때 디자이너는 적어도 이 큰 개별 고주파 커패시터를 선택해야 합니다.

중간 주파수 커패시터는 47 μF에서 100 μF까지 탄탈커패시터여야 합니다. 탄탈륨을 사용할 수없는 경우, 낮은 유도 알루미늄 전기 분해 커패시터를 사용할 수 있습니다. Stratix II 장치는 장치의 3cm 이내에 장착된 최소 4개의 중주파수 커패시터가 필요합니다. 또한 PCB에 적어도 하나의 저주파 커패시터(470 μF ~ 3300 μF)가 요구된다.

V_CCIO 바이패스 정전시

V_CCINT 고려 사항과 마찬가지로 V_CCIO 우회 요구 사항은 평균 에너지 저장 요구 사항을 기반으로 합니다. FPGA 또는 CPLD 장치에서 구동되는 하중은 동일한 전환 된 커패시턴스의 크기를 결정합니다. 다른 I/O 은행은 서로 다른 전압 및 다른 스위칭 주파수에서 작동할 수 있으므로 설계자는 아래 방정식을 사용하여 고주파 커패시터 요구 사항을 결정하는 등 네트워크를 개별적으로 우회하는 것을 고려해야 합니다.

V_CCIO 노이즈의 양을 줄이기 위해 바이패스 커패시턴스는 총 출력 부하 정전용량보다 훨씬 커야 합니다. 고주파 우회 정전 용량은 총 부하 정전용량의 25~100배여야 합니다. 모든 V_CCIO와 접지 쌍에는 장치가 큰 전류 무승부가 있을 때 즉각적인 전류 요구를 제공하기 위해 고주파 바이패스 커패시터가 있어야 합니다. 다음 방정식은 각 커패시터의 최적의 크기를 결정합니다.

다음 예제를 고려하십시오.

• 하중 수 = 40신호
• 평균 하중 값 = 10pF
• 고주파 바이패스 커패시터 승수 = 50
• 장치 V_CCIO 핀 수 = 5

커패시터 크기는 0.004 μF여야 합니다. 이 예제를 감안할 때 디자이너는 적어도 이 큰 개별 고주파 커패시터를 선택해야 합니다. 다음 더 큰 사용 가능한 커패시터 크기를 선택해야 합니다(0.047 μF 또는 0.01 μF).

중간 주파수 커패시터는 47 μF에서 100 μF까지 탄탈커패시터여야 합니다. 두 개의 V_CCIO 은행에 한 개의 중간 주파수 커패시터가 필요합니다. 탄탈륨 커패시터를 사용할 수 없는 경우, 낮은 유도 알루미늄 전기 분해 커패시터를 사용할 수 있습니다. 이러한 커패시터는 V_CCIO 핀 연결의 3cm 이내의 거리에 있어야 합니다. 마지막으로, 각 V_CCIO 전압 레벨에 대해 PCB에 적어도 하나의 저주파 커패시터(470 μF ~ 3,300 μF)가 필요합니다.