Разводка питания Cyclone 3 на двухсторонней плате Опции

[SolderMan]

Привет всем,

я развожу плату с EP3C25Q240 и хотел бы узнать Вашк мнение.
На плате так же будет 133MHz SDRAM. Пока развожу питание, так как на двухсторонней плате развести все 3 питание достаточно сложно. То, что у меня получилось, я выкладываю сдесь. Есть несколько моментов:

• для питания PLL 2.5В будут реализованы с помошью LT1117, который будет находиться прямо под циклоном в центре
• так же под циклоном будет по паре танталовых электролитов по 10мкф для 1.2В и 3.3В
• каждая нога питания получает керамический кондёр на 100нф

Как Вы думаете, насколько удачен такой подход? И что можно было бы доработать?

Заранее спасибо
Дима

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Pathfinder]

Вот в этих двух темах тоже есть про питание FPGA:
http://electronix.ru/forum/index.php?showtopic=100239
http://electronix.ru/forum/index.php?showtopic=101046
в связи с этим предлагаю по возможности обсуждать питание в них. Хотя, наверно, это одна из тех задач, которую одинаково успешно можно обсуждать в половине разделов форума...

Поскольку генератор Циклона обеспечивает 8 фаз, то эквивалентная тактовая получается далеко за 1 ГГц.

Вентили любой сложной микросхемы в любом случае переключаются не одновременно.
Если следовать этой логике, можно придумать "эквивалентную" частоту хоть сто гигагерц для микросхемы, тактируемой одним МГц.
Однако это совсем не означает, что развязка на плате должна работать на таких частотах.
Более того, внешняя развязка даже на тактовой частоте требуется далеко не всегда, просто потому что она неэфективна из-за индуктивностей соединений кристалла и выводов.
Например, питание ядра Cyclone IV в корпусе E144 с максимальной частотой ~250 МГц необходимо развязывать до ~36 МГц, а выше развязка обеспечивается либо на кристалле, либо на корпусе микросхемы.

И ещё. Как раз то, что вентили переключаются в разные моменты времени, должно ослаблять требования к целевому импедансу питания, но производители FPGA в своих инструментах, видимо, исходят из совсем пессимистичного подхода.

Конденсаторы 100 нФ имеют низкую частоту собственного резонанса. Вместо них рядом с ногами питания Циклона надо ставить кондеры 1 нФ, в корпусе 0603 или меньше. В крайнем случае - 10 нФ, но никак не более. А несколько кондеров 100 нФ надо равномерно распределить по плате, можно на довольно большом удалении от Циклона.

Вы можете всё это подтвердить количественно?
Анализ в Altera PDN Design Tool показывает, что 0.1uF к каждому выводу VCCINT - самый лучший вариант в диапазоне частот от 3 МГц до Feffective. Уменьшение или увеличение ёмкости некоторых из них только всё портит. Преднамеренное увеличение межслойной ёмкости VCCINT/GND тоже ухудшает ситуацию, создавая антирезонансный пик на сотнях МГц, на работу это не повлияет, но и пользы никакой.

В этой точке (т.е. на частоте резонанса) импеданс маленького конденсатора все-таки ниже.

Да, но выше резонансной области (а это гораздо более широкий диапазон частот, чем область резонанса) 0.1uF обладает меньшим импедансом, чем и 10nF и 1nF.
Кроме того, каждый лишний номинал создаёт дополнительную антирезонансную область.

Да и вообще, Мюрата приводит графики для отдельно стоящих конденсаторов, а на печатной плате их много.

Расположение и количество конденсаторов не влияют на их собственные характерисктики.
Что касается графиков. Производители пассивных компонентов выкладывают в открытый доступ файлы s-параметров, в которых влияние измерительного стенда скомпенсировано. Графики в той теме получены как раз пересчётом этих данных в соответствующие единицы.
Впрочем, один серьёзный фактор там действительно не учитывается, а именно, влияние постоянного напряжения на ёмкость и ESR, но для NP0 керамики это не существенно, а при 1.2V им можно пренебречь и в отношении X5R/X7R.

[=AK=]

Вентили любой сложной микросхемы в любом случае переключаются не одновременно.
Если следовать этой логике, можно придумать "эквивалентную" частоту хоть сто гигагерц для микросхемы, тактируемой одним МГц.

Один вентиль погоды не делает. Более того, разброс времени задержек срабатывания играет положительную роль, "размазывая" пики потребления.

Проблемы возникают там, где большое количество вентилей срабатывают одновременно, создавая существенные пики (ripple) в цепях питания и земли.

Повторяйте на дорогу
Не для красного словца:
Если все шагают в ногу -
Мост об-ру-ши-ва-ет-ся" (с)

Поэтому разбивка тактирования на 8 фаз - это вовсе не то же самое, что разброс времени срабатывания. Грубо говоря, это всего в 8 раз меньше, чем если бы все вентили лупили от 8-кратной тактовой.

Более того, внешняя развязка даже на тактовой частоте требуется далеко не всегда, просто потому что она неэфективна из-за индуктивностей соединений кристалла и выводов.

Даже если она неэффективна, это не значит, что она не нужна. Вот паровоз, к примеру, топливо сжигает тоже неэффективо, однако без топлива не поедет.

Например, питание ядра Cyclone IV в корпусе E144 с максимальной частотой ~250 МГц необходимо развязывать до ~36 МГц, а выше развязка обеспечивается либо на кристалле, либо на корпусе микросхемы.

Как, чем? Впервые слышу. Просветите, плз.

Анализ в Altera PDN Design Tool показывает, что 0.1uF к каждому выводу VCCINT - самый лучший вариант в диапазоне частот от 3 МГц до Feffective.

Пока что, глядя на PDN User Guide, я вижу, что в приводимых примерах предлагаются к использованию конденсаторы начиная от 1нФ и до 4.7мкФ, а используются начиная с 10нФ - по той простой причине, что нефиг зря бомбить, поскольку заданный импеданс на заданной макс. частоте обеспечен и без помощи 1нФ конденсаторов.


А в приведенном примере BOM используются конденсаторы начиная от 4.7нФ и до 220нФ

Это довольно точно соответствует моим представлениям: очень правильно поставить вокруг ИС с десяток 1нФ...4.7нФ в корпусе минимального размера, а где-нибудь подальше - и 10нФ, и 22нФ, и 47нФ, ну и парочку 100нФ тоже.

Да, но выше резонансной области (а это гораздо более широкий диапазон частот, чем область резонанса) 0.1uF обладает меньшим импедансом, чем и 10nF и 1nF.
Кроме того, каждый лишний номинал создаёт дополнительную антирезонансную область.

На приведенных графиках довольно наглядно показано, зачем это нужно. Подбирая конденсаторы с разными частотами резонанса можно удерживать суммарный импеданс цепи питания на заданном уровне вплоть до очень высоких частот, до заданной. А выше этой частоты уже никого особо не волнует, у какого конденсатора выше импеданс, а у какого ниже, поскольку поезд уже ушел.

Собственно,насколько я вижу, PDN как раз и сделан, чтобы облегчить эту задачу: с ним можно не "на глазок" подбирать кондеры, а увидеть суммарный импеданс.