關(guān)于FPGA的軟件工具電源優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

自1985年賽靈思開(kāi)發(fā)出第一個(gè)商業(yè)上可行的FPGA以來(lái)，F(xiàn)PGA領(lǐng)域的價(jià)值已增長(zhǎng)至數(shù)十億美元。賽靈思本身的年收入超過(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)中占有重要地位。如今，它已經(jīng)成為FPGA領(lǐng)域最大的公司，領(lǐng)先于英特爾（通過(guò)收購(gòu)Xilinx的最大長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手Altera）。

Xilinx FPGA提供了性能和靈活性的結(jié)合以及低功耗。它的頂級(jí)器件之一Virtex UltraScale +提供了在14nm / 16nm工藝節(jié)點(diǎn)中制造的高端信號(hào)處理和I / O帶寬，使其成為業(yè)界功能最強(qiáng)大的FPGA系列。

設(shè)計(jì)FPGA的電源系統(tǒng)

對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA不僅可以提供性能和靈活性還不夠，而且還必須易于使用它們進(jìn)行設(shè)計(jì)，以使上市時(shí)間盡可能短。如果您的產(chǎn)品遲到了，那么產(chǎn)品的好壞通常無(wú)關(guān)緊要。

通過(guò)與工程師交談，我們知道功率級(jí)設(shè)計(jì)分析是可能會(huì)減慢使用FPGA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會(huì)有所幫助，尤其是不正確的負(fù)載模擬可能會(huì)成為問(wèn)題。

為了成功進(jìn)行設(shè)計(jì)，您需要在過(guò)程的早期確定FPGA的電源規(guī)格，這甚至可能在FPGA內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)之前就已經(jīng)確定。FPGA的靈活性可能意味著在設(shè)計(jì)周期的后期做出的決定會(huì)嚴(yán)重影響電源要求。

因此，在此早期階段，您需要準(zhǔn)確的最壞情況功率分析，以便可以適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)系統(tǒng)的功率部分。如果電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)欠佳，則可能意味著FPGA工作超出規(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)的動(dòng)力系統(tǒng)可以額外的大小，重量和復(fù)雜性，以您的解決方案添加-這一切都增加了不必要的成本。

對(duì)于復(fù)雜的FPGA，要考慮這些功耗問(wèn)題并不是很簡(jiǎn)單的，因?yàn)樗鼈円紤]多個(gè)不同的電源軌。為了提供幫助，Xilinx提供了Xilinx功耗估算器（XPE），這是一種基于電子表格的免費(fèi)工具，可以估算功耗。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)境溫度和散熱片供應(yīng)。

XPE提供了詳細(xì)的功率和熱分析，但仍需要設(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)情況”方案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)

這種軟件工具的一個(gè)示例是Flex Power Designer（FPD）。該免費(fèi)工具概述了完整的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并具有用于復(fù)雜的功率級(jí)分析，環(huán)路優(yōu)化和熱建模的內(nèi)置仿真，還包括其他功能，例如易于排序和相位擴(kuò)展。除了推薦Flex Power Modules的最佳組件外，它還使設(shè)計(jì)人員可以包括其他供應(yīng)商的電源設(shè)備，從而可以對(duì)整個(gè)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 XPE工具導(dǎo)出的文件。最初，此功能支持Virtex Ultrascale +器件，并且隨著時(shí)間的推移，支持的系列列表將不斷增加。

通過(guò)直接導(dǎo)入XPE文件，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以利用有關(guān)Xilinx FPGA特定要求的準(zhǔn)確得多的信息來(lái)模擬其電源系統(tǒng)。FPD軟件會(huì)自動(dòng)檢測(cè)潛在問(wèn)題，例如瞬態(tài)電源需求，并建議合適的電源組件。

對(duì)于每條導(dǎo)軌，您都可以在FPD內(nèi)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以最大程度地提高系統(tǒng)效率或最小化功耗和電流開(kāi)銷(xiāo)，這通常是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。中間總線(xiàn)電壓可以設(shè)置為用戶(hù)指定的參數(shù)，也可以允許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XPE支持外，最新的4.0版本還包括一項(xiàng)新的系統(tǒng)優(yōu)化功能，可根據(jù)配置的負(fù)載查找產(chǎn)品并優(yōu)化總線(xiàn)電壓，并改進(jìn)了負(fù)載瞬態(tài)仿真，并支持Flex的PMU（DC / DC點(diǎn)）。負(fù)載轉(zhuǎn)換器。

總體而言，與FPD之類(lèi)的軟件工具一起使用可使設(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。這樣可以節(jié)省時(shí)間，降低錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)，最大程度地降低組件成本，并確保最終產(chǎn)品具有合適的電源系統(tǒng)-意味著可以充分利用FPGA的性能和靈活性。

編輯：hfy