FPGA電源系統設計能夠采用并行工程嗎?

　　按照摩爾定律，FPGA電流特性的發(fā)展趨勢也是越來(lái)越復雜，FPGA的密度越來(lái)越高，外設/功能/IP模塊的數量越來(lái)越多——隨著(zhù)每一技術(shù)節點(diǎn)的發(fā)展，同樣的硅片中，模塊數量加倍。雖然FPGA的供電電壓是恒定的，但是，這些電壓的工作電流卻不是，隨FPGA邏輯的實(shí)現方式而波動(dòng)。

　　當內部邏輯門(mén)或者I/O單元在高電平和低電平之間轉換時(shí)，電流會(huì )有很大的波動(dòng)。當FPGA轉換到高處理速率時(shí)，吸收的電流會(huì )增大，電壓隨之下降。一個(gè)良好的電源設計會(huì )防止電壓過(guò)度下降，不會(huì )超出電壓瞬變閾值。相似的，當FPGA轉換到低處理速率時(shí)，吸收的電流會(huì )下降，電壓會(huì )上升，電源設計會(huì )防止它超過(guò)閾值。簡(jiǎn)言之，FPGA設計人員以怎樣的方式在FPGA上實(shí)現系統帶來(lái)了很多不確定性，會(huì )在很大程度上影響電源設計。

　　這類(lèi)不確定性會(huì )特別影響FPGA系統，部分原因是，使用FPGA的一個(gè)關(guān)鍵特性是設計人員能夠建立大小任意的處理資源，以及任意數量的冗余處理資源，與軟件編程處理器相比，以更少的時(shí)間，更少的功耗解決他們的問(wèn)題。因此，雖然軟件編程處理器有很多能夠同時(shí)工作的處理資源，而FPGA提供了機會(huì )來(lái)建立特殊的、優(yōu)化的定制處理資源，所以需要定制電源設計。

　　供電電源

　　在設計一開(kāi)始時(shí)，理解并管理FPGA設計人員怎樣實(shí)現高處理狀態(tài)和低處理狀態(tài)之間的轉換會(huì )明顯影響電源設計人員優(yōu)化電源設計，滿(mǎn)足系統電源要求。這不是要求，FPGA中的每一電源軌也不是必須要有自己的供電電源，因為這會(huì )增加成本，過(guò)多的占用寶貴的電路板空間。相反，電源設計人員可以使用分布式電源網(wǎng)絡(luò )，體調節器對系統電壓進(jìn)行降壓處理，將其分配給每一個(gè)負載點(diǎn)的調節器，然后，對每一電源軌供電。設計的每一個(gè)調節器能夠在輸入電壓和輸出負載電流變化時(shí)提供恒定的輸出電壓(在設計范圍內)。

　　有兩種基本類(lèi)型的調節器：線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)調節器。線(xiàn)性調節器很容易實(shí)現，輸出比較干凈，輸出的噪聲和電壓波紋很小，使用成本也較低，需要的電路板空間比開(kāi)關(guān)穩壓器少。但是，其功率轉換效率比開(kāi)關(guān)調節器低很多，特別是電壓差(輸出相對于輸入)變化時(shí)。例如，使用線(xiàn)性調節器從5V電源產(chǎn)生1V輸出，轉換效率為20%，比開(kāi)關(guān)調節器85%的轉換效率差很多。

　　轉換效率是輸出功率與輸入功率之比，較低的效率意味著(zhù)調節器占用了很大的功率，而不是FPGA;因此，線(xiàn)性調節器不如開(kāi)關(guān)調節器那樣適合大電流工作的FPGA應用——高端FPGA系統中的某些快速I(mǎi)/O節點(diǎn)會(huì )達到80A.此外，浪費的功耗導致溫度上升，影響熱沉或者氣流散熱所需要的空間，難以維持系統元器件的性能不變。作為一般規則，一平方英寸銅電路板每消耗1W功耗，沒(méi)有氣流散熱時(shí)，溫度會(huì )上升10oC.

　　開(kāi)關(guān)調節器功效要比線(xiàn)性調節器高很多，但是有噪聲代價(jià)，即，較大的電壓波紋——電源設計人員需要面對較低的容限閾值這一越來(lái)越復雜的難題。對電路板上的開(kāi)關(guān)調節器組件進(jìn)行合適的布局是降低電噪聲的關(guān)鍵，這也稍微增加了設計難度。

　　因此，在設計早期階段就知道功率預算對于電源設計人員布放電路板，需要多少電路板空間來(lái)高效的使用開(kāi)關(guān)調節器非常重要，否則會(huì )勉強使用低效的線(xiàn)性調節器。

　　早期規劃

　　大部分FPGA功耗都與FPGA設計人員的實(shí)現選擇有關(guān)，這會(huì )影響系統的開(kāi)關(guān)頻率、輸出負載、供電電壓、互聯(lián)數量、互聯(lián)開(kāi)關(guān)百分比，以及邏輯和互聯(lián)模塊的結構。這些選擇反過(guò)來(lái)也會(huì )影響電源設計人員的選擇以及系統設計的綜合考慮，影響最終系統性能。

　　好在FPGA電源設計人員有各種工具和方法，在設計早期階段分析功耗。例如，大部分FPGA供應商提供早期功耗估算器和功耗分析器，幫助設計人員建立功耗預算。設計人員可以使用基于軟件的早期功耗估算器——基本上是表格的形式，在設計早期階段匯集邏輯容量和工作速率的數據和假設，以便估算系統會(huì )在哪里，用掉多少功率(參見(jiàn)圖2)。

　　圖2.這一基于軟件的早期功耗估算器所顯示的工作表在所規劃的FPGA使用情況基礎上，為每一電源軌建議了組件(圖像得到了Altera的授權)。