FPGA 電路設計: 如何應對電源相關(guān)問(wèn)題的挑戰

　　引言

　　在設計可編程門(mén)陣列(FPGA)電路時(shí)，必須極端重視電源問(wèn)題，從而使最終產(chǎn)品能在所有可能的條件下無(wú)缺陷工作并處于最優(yōu)狀態(tài)。FPGA 電路電源有兩項需考慮的問(wèn)題: FPGA 電路上電要求和電路功耗分析。這篇文章針對這兩方面的要求，討論您可能遇到的問(wèn)題，以及解決方案。

　　目前FPGA電路設計所面臨的問(wèn)題

　　FPGA電路通常需要多路電源輸入。為優(yōu)化開(kāi)機時(shí)的電流拖曳，防止鎖死和永久性的電路損壞，同時(shí)也為了防止開(kāi)機接通時(shí)的毛刺干擾和降低開(kāi)機接通的功耗，這些電源輸入必須具有精確的上電序列以及正確的電壓變化率。如何實(shí)現復雜多路供電的精確控制是FPGA電路設計驗證過(guò)程中的難點(diǎn)。此外，隨著(zhù)項目的發(fā)展，FPGA電路設計指標通常會(huì )發(fā)生變化，靈活簡(jiǎn)單的上電參數調整方式也是工程師在進(jìn)行前期電路設計時(shí)所需要的。

　　在產(chǎn)品設計過(guò)程中，還需要測試各種工作條件下的FPGA電路功耗，捕獲大電流尖峰的精確輪廓，并帶有時(shí)戳，以確定尖峰出現的時(shí)間，從而確定設計必須提供的最大電源功耗?？赡苓€需要為電源資源有限的產(chǎn)品(如電池供電設備)進(jìn)行進(jìn)一步功耗優(yōu)化設計。

　　實(shí)例: 為 Xilinx Spartan-3 FPGA 設置上電規則并進(jìn)行功耗分析

　　以Spartan-3系列FPGA為例，該FPGA電路需要四路供電，包括VCCINT(內核電源)，VCCAUX(輔助電源)，VCCO(I/O電源)和VINTF(接口電源)。其中VINTF用于為配置器件如NOR Flash PROM 或微控器供電的供電。為正確配置 FPGA，要在FPGA上電前 1毫秒開(kāi)啟，這一上電間隔保證了配置器件已完成上電，并準備好向FPGA發(fā)送來(lái)自存儲器的配置。其他三路供電時(shí)序沒(méi)有嚴格要求，但如果VCCINT 在 VCCAUX 之前，或與其同時(shí)上電，FPGA將消耗過(guò)多的內核電流。這一過(guò)度的電流拖曳將更快降低電池壽命，并導致負責功率分配的設計人員選擇更大功率的調整器。

　　為驗證不同上電時(shí)序對FPGA電路消耗電流的影響，使用安捷倫 N6705A直流功耗分析儀按圖1所示與FPGA電路進(jìn)行連接。

　　圖1 使用多路電源為FPGA電路供電時(shí)的連接和設置

　　首先按照 圖2 所示，為FPGA電路設置上電時(shí)序，VINTF 最早打開(kāi)輸出，VCCINT 在VCCO 之前1毫秒打開(kāi)供電：

　　圖2 N6705A上電序列設置屏

　　在此供電情況下，可以看到內核電源消耗的電流 ICCINT 在上電過(guò)程中產(chǎn)生一個(gè)明顯的脈沖尖峰，如圖3 所示：

　　圖3 內核電源VCCINT在上電過(guò)程中所消耗的電流波形ICCINT

　　按圖4 所示重新改變上電時(shí)序，使VCCINT上電輸出滯后于VCCAUX 1毫秒，此時(shí)可以看到ICCINT 電流波形中脈沖尖峰已經(jīng)消失。

　　圖4 調整上電時(shí)序后，ICCINT 的電流波形

　　同樣，為實(shí)現VCCINT 和VCCO 的上電斜率要求，并驗證在規定的上電斜率范圍內FPGA電路的工作情況，可以使用N6705A按照 圖5 所示分別設置各路供電的上電斜率。

　　圖5 供電電路電壓斜率的設置

　　為保證成功上電，FPGA電路的電源電壓必須通過(guò)各自的電壓閾值范圍，并且不能有電壓跌落。圖6 顯示電源接通時(shí)具有正確上電序列和上升斜率的各路供電輸出。每一路電壓都平穩上升，并且沒(méi)有跌落和其它不穩定行為。這說(shuō)明在當前的供電條件下，FPGA電路可以正常工作。

　　圖6 按照設定的上電序列和斜率進(jìn)行供電的電壓波形

　　對FPGA電路的連續功耗分析，可以通過(guò)高速采集各路供電的電流值來(lái)完成。連續高速采集可以保證捕捉到的所有的電流脈沖細節，但數據量也會(huì )急劇增大。為保證采集速度同時(shí)減小數據量，可以通過(guò)設定采樣周期的辦法，在每個(gè)周期內，對高速采樣到的電流結果計算平均值和最大/最小值。整個(gè)過(guò)程必須保證連續采集，不會(huì )有電流數據丟失。同時(shí)還需要保留每個(gè)數據點(diǎn)所對應的時(shí)間信息，以便事后對大電流脈沖產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。這里同樣可以使用N6705A對多達四路供電進(jìn)行長(cháng)時(shí)間數據采集。其采樣結果如 圖7 所示:

　　圖7 N6705A對ICCINT、ICCAUX和ICCO電流連續采集30秒的結果

　　結論

　　在應對FPGA電路電源設計部分的相關(guān)問(wèn)題時(shí)，供電驗證和耗電分析往往是工程師所面臨的最大挑戰。設計師需要在FPGA允許范圍內通過(guò)精調上電序列和變化斜率優(yōu)化開(kāi)機功耗，并驗證消耗電流的變化。為能夠快速精確調整供電設置，并實(shí)時(shí)測量消耗電流值，使用帶有多路供電測量功能的高性能電源是最理想的選擇。安捷倫N6705A直流功耗分析儀可以幫助工程師解決FPGA電路設計驗證過(guò)程中所遇到的供電相關(guān)問(wèn)題，幫助節省時(shí)間，人力和資金成本，快速達到設計目的。