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Forum: FPGA, VHDL & Co. 1,2V für FPGA gesucht


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Autor: Mampf F. (mampf) Benutzerseite
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Guten Abend,

in einem Referenz-Design für Cyclon 10 LP ("low power") mit 25kLE habe 
ich für die 1,2V-Core-Spannungs-Erzeugung einen Schaltregler mit 3A 
Strom gefunden.

Bei eigenen älteren Designs für Spartan II und Cyclon III hatte ich nur 
einen einfachen LDO-Regler mit max 1A verwendet.

Ich vermute, der Strombedarf hängt davon ab, was mein FPGA dann machen 
soll, richtig?

In der aktuellen Applikation wäre der Cyclon 10 mit 85% ausgelastet und 
würde auf 120MHz takten. Im Worst-Case würde der kontinuierlich non-stop 
durchlaufen. (Sehr entfernt könnte man es mit Bitcoin-Mining vergleichen 
- hat aber mit Bitcoins nichts zu tun).

Wie schafft man es, den Strom für die 1,2V abzuschätzen?

Kennt jemand zufällig einen einfach handhabbaren Schaltregler, der für 
3A und 1,2V geeignet wäre?

Vielen Dank für Hilfe,
Mampf

Autor: Christian R. (supachris)
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Mampf F. schrieb:
> Wie schafft man es, den Strom für die 1,2V abzuschätzen?

Gibt's da keine Tools bei Altera? Bei Xilinx gibts den Power Estimator, 
dad klappt zum Abschätzen ganz gut.

Mampf F. schrieb:
> Kennt jemand zufällig einen einfach handhabbaren Schaltregler, der für
> 3A und 1,2V geeignet wäre?

Da gibt's ja tausende. Wenn du es einfach haben willst, nimm so ein 
Modul, von TI gibt's die ehemaligen LM Module die kann man einfach 
einlöten.

Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Mampf F. schrieb:
> Wie schafft man es, den Strom für die 1,2V abzuschätzen?
Normalerweise gibt es da ein Tool namens "Power Estimator".

> Kennt jemand zufällig einen einfach handhabbaren Schaltregler, der für
> 3A und 1,2V geeignet wäre?
Ausgehend von welcher Spannung?

Autor: Frank S. (schroederde)
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Quartus besitzt einen Early Power Estimator. DAMIT KANNST du die 
Abschätzungen erzeugen.

Autor: Harald W. (wilhelms)
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Mampf F. schrieb:

> Kennt jemand zufällig einen einfach handhabbaren Schaltregler, der für
> 3A und 1,2V geeignet wäre?

Fast jeder, der den Strom kann. Wegen des Wirkungsgrads sollte man
aber besser einen Wandler nehmen, der einen eingebauten Synchron-
Gleichrichter hat.

Autor: Mampf F. (mampf) Benutzerseite
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Mittlerweile hab ich mich für den TPS54531 entschieden :)

Jeweils einen für 1,2V (max 3A) und 3,3V (max 2A) und die 2,5V (max 
0,6A) werden per LDO aus den 3,3V gewonnen.

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps54531.pdf

Noch eine kurze Frage ... Normal würde man 3,3V und 1,2V in eigene Layer 
packen - allerdings möchte ich kein Multilayer-Layout machen ($40 
Preisunterschied beim Chinesen).

Ich hatte früher mit 2 Layer noch nie Probleme (auch mit FPGAs, XC2S50 
und EP3C6) ... Die waren aber - denke ich - wesentlich stromsparender, 
da weniger Resourcen ;-)

Ich würde einfach die Stromversorgung mit 2mm-Leitungen verlegen und 
(nahezu) die ganze Kupferfläche auf der Rückseite für GND verwenden.

Zusammen mit der "empfohlenen Anzahl" an Puffer- und 
Entkoppel-Kondensatoren, sollte ich da kein Problem kriegen, oder?

Viele Grüße,
Mampf

: Bearbeitet durch User
Autor: Sven J. (svenj)
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Moin,

Alteras Guide für die Pins:
https://www.altera.com/content/dam/altera-www/global/en_US/pdfs/literature/dp/cyclone-10/pcg-01021.pdf

Adhoc finde ich jetzt nicht raus, welche Packages da möglich sind: bei 
den BGAs würde ich schon aufgrund der Pindichte  in Abrede stellen, dass 
man das mit weniger als 4 Layern hinbekommt. Da Du aber von 2mm 
Leiterbahnen sprichst, vermute ich mal, das E144 ein 144pin EQ-Flatpack 
meint.

Du versaust Dir ohne vernünftige Versorgungslagen die Impedanz und die 
Wirkung der Lagen als Kondensator. Eine Absolution wird dir da niemand 
geben, ich glaube schlicht nicht, dass Du die Anbindung gut hinbekommst 
sobald eine nennenswerte Anzahl Datenleitunngen dazu kommt.

Spendiere dem Teil eine Paar Innenlagen für die Versorgung, wenn Du nur 
zwei Spannungen hast (Core+IO) können die sich wahrscheinlich eine Layer 
teilen und benutze die zweite als geschlossene Groundlage. Dann kannst 
Du Top und Bottom nach Lust und Laune zum Routen nutzen.

--
 SJ

Autor: Duke Scarring (Gast)
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Mampf F. schrieb:
> Die waren aber - denke ich - wesentlich stromsparender,
> da weniger Resourcen
Früher waren die Strukturen größer und die Versorgungsspannungen höher.
Welcher Effekt überwiegt, weiß ich nicht.

Mehrlagig läßt sich leichter routen. Die Frage ist, ob Du Dir es leisten 
kannst, wegen den gesparten $40 das Projekt in den Sand zu setzen ;-)
Bei Deiner Zielapplikation kannst Du möglicherweise auch den Takt 
reduzieren um den Stromverbrauch weiter zu senken.

Kritisch dürfte es werden, wenn viele IO gleichzeitig schalten sollen.

Duek

Autor: Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite
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Wenn die Baugruppe in Kleinststückzahlen aufgebaut werden soll, sind die 
$40 nun wirklich die mit Abstand preisgünstigste Möglichkeit; um eine 
wirklich ordentliche Versorgungsspannungszuführung (auf neudeutsch: 
power integrity) zu gewährleisten, wären ggf. sogar sechs Lagen 
empfehlenswert.

Bei der Anbindung eines BGA muss man sich aber noch entscheiden, ob 
Hundeknochen ohne Plugging ausreichen oder man im Pad durchkontaktiert 
und somit verfüllen lassen muss.

Autor: Mampf F. (mampf) Benutzerseite
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Duke Scarring schrieb:
> Kritisch dürfte es werden, wenn viele IO gleichzeitig schalten sollen.

Ach, lustigerweise benötige ich genau 8 IOs ... 4 für SPI, ein Taster, 3 
LEDs.

Ich brauche im Prinzip nur die 25kLE intern ... Davon aber 85% und die 
Takten auf 120MHz.

Bei dem FPGA handelt es sich um einen Port des IOTA "Pearl Divers", der 
für eine IOTA-Transaktion das "Proof-Of-Work" macht. Die innerste 
Hashing-Loop verwendet quasi alle Resourcen innerhalb eines Taktes 
gleichzeitig - und das für einige Millionen Takte, bis eine Lösung 
gefunden wurde.

Also die I/Os sind nicht so das Problem :)

Aber ich denke, ihr habt mich überzeugt ... 3 verschiedene Spannungen + 
GND unter einem EQFP144 zu verlegen ist schon wirklich ekelhaft.

Autor: Mampf F. (mampf) Benutzerseite
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Andreas S. schrieb:
> Bei der Anbindung eines BGA muss man sich aber noch entscheiden, ob
> Hundeknochen ohne Plugging ausreichen oder man im Pad durchkontaktiert
> und somit verfüllen lassen muss.

BGA wäre natürlich nett, aber dann wäre ich wieder auf externe Firmen 
angewiesen, die mir den auf die Platinen bestücken usw ...

Ist deshalb das größte FPGA, was man noch im (E)QFP bekommen kann - 
falls es irgendwo mal erhältlich ist.

Autor: Klakx (Gast)
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Mampf F. schrieb:
> BGA wäre natürlich nett, aber dann wäre ich wieder auf externe Firmen
> angewiesen, die mir den auf die Platinen bestücken usw ...

falls du in einer Firma arbeitest, sollte das nicht das Problem sein.

Bei uns wurde das mal durchgerechnet wieviel Zeit man selber benötigt 
(=Kosten) vs. extern Bestücken lassen. Das lohnt sich schon bei kleinen 
Stückzahlen mit gewisser Komplexität (und das ist bei einem FPGA schon 
meist der Fall).

Ansonsten geht spart man sich auch Probleme über fertige 
FPGA-Aufsteckboards (z.B. Trenz).

Autor: Win DJ Ammer (Gast)
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Die Spezifizierten Stroeme sind leider Muell. Altera zB hat im 
Kleingedruckten, dass angenommen wird, 10% der Gatter wuerden schalten. 
Bedeutet, im worst case kann der Stromverbrauch das Zehnfache sein. Und 
was bedeutet, dass die Spannung einbrechen kann ? Unzuverlaessige 
Operation.

Bedeutet man kann den Aufwand nicht hoch genug treiben, dass die 
Speisung passt. Also lieben 6 Lagen wie 4, lieber 6A, wie 2A.  Lieber 
zuviele Caps.

Autor: Mampf F. (mampf) Benutzerseite
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Win DJ Ammer schrieb:
> Bedeutet man kann den Aufwand nicht hoch genug treiben, dass die
> Speisung passt. Also lieben 6 Lagen wie 4, lieber 6A, wie 2A.  Lieber
> zuviele Caps.

Oh okay, vielen Dank für die Warnung!

Mein Schaltregler kann 5A für 1,2V und 5A für 3,3V ... Aber mein Design 
läuft "nur" mit 135MHz ...

Ich war schon fast versucht LDO-Regler einzubauen und es darauf ankommen 
zu lassen - für den Preis eines Cyclon 10 war mir das dann aber zuviel 
Risiko^^

Lieber großzügig auslegen und dann messen, wieviel Strom tatsächlich 
verbraten wird.

Bei mir klackern 90% aller Resourcen pro Takt und das halt Millionen von 
malen.

an Caps hab ich auch nicht gespart ... Mir kam das schon lächerlich viel 
vor. Interessanterweise schreibt Altera bis ca 100Mhz würden die Caps 
reichen, die auf dem FPGA selbst drauf sind. Drüber müsste man extern 
fleißig entkoppeln.

: Bearbeitet durch User
Autor: Win DJ Ammer (Gast)
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Ich war mal an einem Seminar, da erzaehlte eine Firma von ihren 
Problemen bezueglich FPGA Design. Die von den FPGA Herstellern 
erforderten Specs bezuglich Speisung und Caps waren naemlich gar nicht 
erfuellbar. Es ging um Highend FPGAs, also grosse BGAs mit hoher 
Frequenz. Man haette die gesammte Rueckseite der Leiterplatte unterhalb 
des BGA mit Caps fuellen koennen und es haette nicht gereicht. Die 
Anschluesse waren zu induktiv. Also muesste die Leiterplatte ihren 
kapazitiven Beitrag leisten. Natuerlich nicht mit 100u Kupfer Lagen 
Abstand, sondern signifikant drunter, vielleicht 10u, oder 20u. Das 
gibt's noch nicht. Steht aber als Anforderung in der Luft. Ah. Ja. Das 
Problem war, dass die 25 moeglichen Lagen des Layoutprogrammes nicht 
reichten. Sie wollten ein paar mehr. Fuer den Layoutprogramm Hersteller 
ist das eine Konstante im Sourcecode. Mehr nicht. Also dieser 
Layoutprogramm Hersteller war dann kooperativ, und hat das ermoeglicht. 
Und die duenneren Lage stehen als Anforderung an Leiterplattenhersteller 
in der Luft. Ich bin nicht auf dem Laufenden was zur Zeit moeglich ist, 
und angeboten wird..

Autor: Mampf F. (mampf) Benutzerseite
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Win DJ Ammer schrieb:
> Ich bin nicht auf dem Laufenden was zur Zeit moeglich ist,
> und angeboten wird..

Wow krasse Geschichte xD

Mein Layout / meine Applikation ist nicht so edgy xD

Wobei noch mehr Resourcen wären schon gut ;-)

Naja, ich denke ich bin jetzt damit fertig und jetzts zum Chinesen 
damit.

Autor: Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite
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Win DJ Ammer schrieb:
> Die von den FPGA Herstellern erforderten Specs bezuglich Speisung
> und Caps waren naemlich gar nicht erfuellbar.

Als Hersteller verbreitet man ganz bewusst Anforderungen, die sich nicht 
oder nur mit unverhältnismäßig hohem Aufwand erfüllen lassen, um im 
Falle von Reklamationen sofort auf die Nichterfüllung verweisen und 
somit die eigene Verantwortung auf den Kunden abwälzen zu können. So 
etwas findet man aber auch bei Alltagsgegenständen. Bei meinen aktuellen 
Fahrradpedalen befand sich im Lieferumfang auch eine Wartungsanweisung; 
demnach soll man die Lager der Pedale vor jeder Fahrt, nach jeder Fahrt 
und spätestens nach 100km Fahrt vollständig zerlegen und mit dem genau 
vorgeschriebenen Fett (das vermutlich nirgendwo in Kleinmengen 
erhältlich sein wird) behandeln.

Ebenso muss man laut STVO ja bei der Nutzung eines Kfz auch vor jeder 
Fahrt die gesamte Beleuchtungsanlage zu zweit kontrollieren. Ich 
vermute, dass auch die heutzutage übliche elektronische Überwachung der 
Leuchtmittel diesen manuellen Schritt nicht ersetzt.

Autor: Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite
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Klakx schrieb:
> Bei uns wurde das mal durchgerechnet wieviel Zeit man selber benötigt
> (=Kosten) vs. extern Bestücken lassen. Das lohnt sich schon bei kleinen
> Stückzahlen mit gewisser Komplexität (und das ist bei einem FPGA schon
> meist der Fall).

Wurde bei diesen Rechnungen auch berücksichtigt, wie viel 
administrativer Overhead produziert wird: Anfragen formulieren, 
Bestellanforderung schreiben, von drei Leuten unterzeichen lassen, 
Einkäufer die Angebote einholen lassen, Rückfragen an die Fachabteilung 
weiterleiten, Antworten an den Einkauf schicken, Antworten an die 
Bestücker weiterleiten, auf die Angebote warten, Angebote sichten und 
unter Vernachlässigung einiger Parameter blind den billigsten 
beauftragen, Paket mit den Beistellungen für den Bestücker packen, Paket 
versenden lassen, bestückte Baugruppen im Wareneingang erfassen, an die
falsche Fachabteilung weiterschicken, an die richtige Fachabteilung 
weiterleiten, usw.? Und das für eine Handvoll Bauelemente?

: Bearbeitet durch User
Autor: Frank K. (fchk)
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Was auch immer gerne genommen wird, sind die LTM µ-Module. Für Dich z.B. 
das LTM4642 mit 2*4A. Die externe Beschaltung ist mewhr oder weniger 
idiotensicher, alles wichtige inklusive der Induktivität sitzt im Modul. 
Gerade wenn das zugehörige FPGA etwas teurer ist, hast Du damit eine 
schöne Lösung.

fchk

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