簡(jiǎn)化Xilinx FPGA的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自 1985 年 Xilinx 開(kāi)發(fā)出第一個(gè)商業(yè)上可行的 FPGA 以來(lái)，F(xiàn)PGA 細(xì)分市場(chǎng)的價(jià)值已經(jīng)增長(zhǎng)到數(shù)十億美元。Xilinx 本身的年收入超過(guò) 30 億美元，在汽車(chē)、5G、基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)占據(jù)強(qiáng)勢(shì)地位。今天，它是 FPGA 領(lǐng)域最大的參與者，領(lǐng)先于英特爾（通過(guò)收購(gòu)賽靈思最大的長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手 Altera）。

Xilinx FPGA 將性能和靈活性與低功耗相結(jié)合。其頂級(jí)器件之一 Virtex UltraScale+ 提供高端信號(hào)處理和 I/O 帶寬，采用 14-nm/16-nm 工藝節(jié)點(diǎn)制造，使其成為業(yè)界功能最強(qiáng)大的 FPGA 系列。

為 FPGA 設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)

對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA 能夠提供性能和靈活性當(dāng)然是不夠的——還必須易于使用它們進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便盡可能縮短上市時(shí)間。如果你的產(chǎn)品遲到了，那么它有多好通常并不重要。

通過(guò)與工程師的交談，我們知道功率級(jí)設(shè)計(jì)分析是會(huì)降低 FPGA 工作速度的主要問(wèn)題之一。許多設(shè)計(jì)工程師發(fā)現(xiàn)可用軟件的功能可能存在差距以幫助他們，特別是不準(zhǔn)確的負(fù)載模擬可能是一個(gè)問(wèn)題。

對(duì)于成功的設(shè)計(jì)，您需要在流程的早期確定 FPGA 的電源規(guī)格，這甚至可能在 FPGA 內(nèi)的邏輯設(shè)計(jì)完成之前。FPGA的靈活性意味著在設(shè)計(jì)周期后期做出的決定會(huì)顯著影響電源要求。

因此，在這個(gè)早期階段，您需要準(zhǔn)確的最壞情況功耗分析，以便您可以適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)系統(tǒng)的電源部分。如果電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)不足，則可能意味著 FPGA 的運(yùn)行超出規(guī)范，可能會(huì)降低其性能甚至影響可靠性。相反，過(guò)度設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)會(huì)給您的解決方案增加額外的尺寸、重量和復(fù)雜性——所有這些都會(huì)增加不必要的成本。

對(duì)于需要考慮多個(gè)不同電源軌的復(fù)雜 FPGA 而言，這些電源考慮因素并非微不足道。為了提供幫助，賽靈思提供了賽靈思功耗估算器 (XPE)，這是一款基于電子表格的免費(fèi)工具，用于估算功耗。設(shè)計(jì)人員可以指定他們希望使用的 FPGA，以及其他參數(shù)，例如預(yù)期的環(huán)境溫度和散熱器供應(yīng)。

XPE 提供了詳細(xì)的功率和熱分析，但仍然需要設(shè)計(jì)人員獲得更多幫助。假設(shè) XPE 提供的數(shù)據(jù)可以在電源設(shè)計(jì)工具中使用。在這種情況下，優(yōu)化工具可以幫助選擇正確的組件并運(yùn)行“假設(shè)”場(chǎng)景以輕松查看不同的選項(xiàng)。

使用軟件工具優(yōu)化電源設(shè)計(jì)

Flex Power Designer (FPD) 就是此類(lèi)軟件工具的一個(gè)示例。這款免費(fèi)工具提供完整電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的概覽，內(nèi)置用于復(fù)雜功率級(jí)分析、環(huán)路優(yōu)化和熱建模的仿真，并包括其他功能，例如實(shí)現(xiàn)輕松排序和相位擴(kuò)展。除了推薦來(lái)自 Flex Power Modules 的最佳組件外，它還使設(shè)計(jì)人員能夠包括來(lái)自其他供應(yīng)商的電源設(shè)備，從而能夠?qū)φw電源解決方案進(jìn)行建模。

為了優(yōu)化基于 Xilinx FPGA 的設(shè)計(jì)，該軟件的最新 4.0 版本現(xiàn)在支持導(dǎo)入從 Xilinx 的 XPE 工具導(dǎo)出的文件。最初，此功能支持 Virtex Ultrascale+ 器件，并且支持的系列列表會(huì)隨著時(shí)間的推移而增長(zhǎng)。

通過(guò)直接導(dǎo)入 XPE 文件，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以使用有關(guān)特定 Xilinx FPGA 要求的更準(zhǔn)確和可靠的信息來(lái)仿真他們的電源系統(tǒng)。FPD 軟件會(huì)自動(dòng)檢測(cè)潛在問(wèn)題，例如瞬態(tài)電源要求，并建議合適的電源組件。

對(duì)于每個(gè)軌，您可以在 FPD 內(nèi)優(yōu)化您的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)最大系統(tǒng)效率或最小化功率和電流開(kāi)銷(xiāo)，這通常會(huì)導(dǎo)致成本最低的解決方案。在這兩個(gè)極端之間拖動(dòng)屏幕上的滑塊很簡(jiǎn)單，F(xiàn)PD 會(huì)生成一個(gè)模擬，顯示預(yù)測(cè)的效率、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和所需的組件。中間母線電壓可以設(shè)置為用戶指定的參數(shù)，或者您可以讓 FPD 推薦最佳值。

您還可以研究和模擬 FPD 中的許多其他選項(xiàng)，例如 PCB 電阻對(duì)電壓降的影響。除了 XPE 支持，最新的 4.0 版本還包括一個(gè)新的系統(tǒng)優(yōu)化功能，用于根據(jù)配置的負(fù)載查找產(chǎn)品和優(yōu)化總線電壓，以及對(duì)負(fù)載瞬態(tài)仿真的改進(jìn)，并支持 Flex 的 PMU，一個(gè) DC/DC 點(diǎn)-負(fù)載轉(zhuǎn)換器。

總體而言，使用 FPD 等軟件工具可使設(shè)計(jì)人員優(yōu)化其電源設(shè)計(jì)以提高效率和成本。通過(guò)支持 XPE 文件，現(xiàn)在可以為包含 Xilinx FPGA 的設(shè)計(jì)獲得最準(zhǔn)確、最可靠的仿真。這可以節(jié)省時(shí)間，降低出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)，最大限度地降低組件成本，并確保最終產(chǎn)品具有合適的電源系統(tǒng)——這意味著可以充分利用 FPGA 的性能和靈活性。

審核編輯：劉清