通過(guò)在FPGA設計流程引入功率分析改善PCB的可靠性

過(guò)去，FPGA設計人員考慮的是時(shí)序和面積使用率。但是，隨著(zhù)FPGA正越來(lái)越多地取代ASSP和ASIC，設計人員期望開(kāi)發(fā)功率較低的設計并提供更加精確的功率估計。最新FPGA分析軟件能提供一種精確和靈活的手段來(lái)模擬各種工作環(huán)境下的功耗。

與功能和時(shí)序驗證類(lèi)似，功率分析以并行驗證的形式對設計流程進(jìn)行跟蹤(見(jiàn)圖1)。早期的功率分析依賴(lài)于簡(jiǎn)單的利用率和由設計者用“假設分析”方法提供的信號活性評估。后來(lái)，由于可以獲取布局后(post-layout)器件信息和門(mén)級仿真記錄的信號活性，功率估計變得更加精確了。

FPGA功率計算器可評估器件功耗，使設計者能夠導入布局和布線(xiàn)設計，并指定諸如電壓、溫度、工藝變化、氣流、散熱片及資源利用率、活性和頻率等參數。應用這些參數可以在不同的設計環(huán)境下形成盡可能精確的模型。

圖1：功率估計并行于傳統的驗證流程。

基本功耗計算

大多數FPGA功率分析工具可報告功耗的動(dòng)態(tài)(AC)和靜態(tài)(DC)部分。靜態(tài)電流由器件的漏電流組成。靜態(tài)電流/功率與器件的溫度、工藝、電壓參數和條件有關(guān)。它在很大程度上取決于溫度，溫度與電路板及器件的熱特性相關(guān)。靜態(tài)功耗也是所有電源上的漏電流。

功耗的動(dòng)態(tài)部分為所使用的資源在轉換時(shí)的功耗。動(dòng)態(tài)部分的功耗直接與工作頻率(資源在該頻率下工作)和使用的資源數量成正比。

DC功率由下面的方程得出：總DC功率(器件)= A×eBT

其中：A是與參數相關(guān)的工藝，B是溫度系數，T是器件的結溫。

AC功率由下面的方程得出：總AC功率(資源) = Kr×fMAX× AF×Nr

其中：Kr是針對資源的功率常數(單位為mW/MHz)。fMAX是正在使用的資源的最大頻率。頻率用MHz量度。AF是資源組的活性因子?；钚砸蜃邮乔袚Q頻率的百分比。Nr是設計中使用的資源數目。

FPGA布線(xiàn)互連是整體功耗的主要來(lái)源，功耗與金屬層的電容和轉換率成正比。

活性因子(AF%)被定義為頻率(或時(shí)間)的百分比，在該頻率下信號被激活或者轉換輸出。大多數與時(shí)鐘域相關(guān)的資源以某頻率的百分比運行或轉換。功率分析工具的用戶(hù)可以手工將這些參數以百分比形式輸入，或者根據仿真結果導入活性因子?？舍槍γ總€(gè)布線(xiàn)資源、輸出或PFU計算出AF。如果未提供仿真結果，則對于一個(gè)占器件資源30%到70%的設計，通常建議AF%在15%到25%之間。AF(通常從仿真結果導入)的精確性取決于時(shí)鐘頻率，設計的激勵信號和最終輸出。