FPGA配電結(jié)構(gòu)和功耗分析

通常來說外部電源為FPGA或者 CPLD 內(nèi)部和外部正常工作提供電能源。實(shí)施電源方案時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該明確知道這些供電電源 ( 也稱為“軌式電源” ) 的總功率。而且，和器件外部消耗的總功率相比，設(shè)計(jì)人員還需要考慮器件內(nèi)部實(shí)際消耗的總功率 ( 稱為“熱功率”或者“耗散功率” ) ，例如，外部輸出電容負(fù)載和平衡電阻匹配網(wǎng)絡(luò)的功耗。

一、FPGA使用的電源類型

FPGA電源要求輸出電壓范圍從 1.2V 到 5V，輸出電流范圍從數(shù)十毫安到數(shù)安培?？捎萌N電源：低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器、開關(guān)式 DC-DC 穩(wěn)壓器和開關(guān)式電源模塊。最終選擇何種電源取決于系統(tǒng)、系統(tǒng)預(yù)算和上市時(shí)間要求。

如果電路板空間是首要考慮因素，低輸出噪聲十分重要，或者系統(tǒng)要求對(duì)輸入電壓變化和負(fù)載瞬變做出快速響應(yīng)，則應(yīng)使用 LDO 穩(wěn)壓器。LDO 功效比較低(因?yàn)槭蔷€性穩(wěn)壓器)，只能提供中低輸出電流。輸入電容通常可以降低 LDO 輸入端的電感和噪聲。LDO 輸出端也需要電容，用來處理系統(tǒng)瞬變，并保持系統(tǒng)穩(wěn)定性。也可以使用雙輸出 LDO，同時(shí)為 VCCINT 和 VCCO 供電。

如果在設(shè)計(jì)中效率至關(guān)重要，并且系統(tǒng)要求高輸出電流，則開關(guān)式穩(wěn)壓器占優(yōu)勢(shì)。開關(guān)電源的功效比高于 LDO，但其開關(guān)電路會(huì)增加輸出噪聲。與 LDO 不同，開關(guān)式穩(wěn)壓器需利用電感來實(shí)現(xiàn) DC-DC 轉(zhuǎn)換。

二、FPGA 的特殊電源要求

為確保正確上電，內(nèi)核電壓 VCCINT 的緩升時(shí)間必須在制造商規(guī)定的范圍內(nèi)。對(duì)于一些FPGA，由于 VCCINT 會(huì)在晶體管閾值導(dǎo)通前停留更多時(shí)間，因此過長(zhǎng)的緩升時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)電流持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。如果電源向 FPGA 提供大電流，則較長(zhǎng)的上電緩升時(shí)間會(huì)引起熱應(yīng)力。ADI 公司的 DC-DC 穩(wěn)壓器提供可調(diào)軟啟動(dòng)，緩升時(shí)間可以通過外部電容進(jìn)行控制。緩升時(shí)間典型值在 20ms 至 100ms 范圍內(nèi)。

許多 FPGA 沒有時(shí)序控制要求，因此 VCCINT、VCCO 和 VCCAUX 可以同時(shí)上電。如果這一點(diǎn)無法實(shí)現(xiàn)，上電電流可以稍高。時(shí)序要求依具體 FPGA 而異。對(duì)于一些 FPGA，必須同時(shí)給 VCCINT 和 VCCO 供電。對(duì)于另一些 FPGA，這些電源可按任何順序接通。多數(shù)情況下，先給 VCCINT 后給 VCCO 供電是一種較好的做法。

當(dāng) VCCINT 在 0.6V 至 0.8V 范圍內(nèi)時(shí)，某些 FPGA 系列會(huì)產(chǎn)生上電涌入電流。在此期間，電源轉(zhuǎn)換器持續(xù)供電。這種應(yīng)用中，因?yàn)槠骷柰ㄟ^降低輸出電壓來限制電流，所以不推薦使用返送電流限制。但在限流電源解決方案中，一旦限流電源所供電的電路電流超過設(shè)定的額定電流，電源就會(huì)將該電流限制在額定值以下。

三、FPGA配電結(jié)構(gòu)

1. 集中式電源結(jié)構(gòu)

對(duì)于高速、高密度 FPGA 器件，保持良好的信號(hào)完整性對(duì)于實(shí)現(xiàn)可靠、可重復(fù)的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。適當(dāng)?shù)碾娫磁月泛腿ヱ羁梢愿纳普w信號(hào)完整性。如果去耦不充分，邏輯轉(zhuǎn)換將會(huì)影響電源和地電壓，導(dǎo)致器件工作不正常。此外，采用分布式電源結(jié)構(gòu)也是一種主要解決方案，給 FPGA 供電時(shí)可以將電源電壓偏移降至最低。

在傳統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)中，AC/DC 或 DC/DC 轉(zhuǎn)換器位于一個(gè)地方，并提供多 個(gè)輸出電壓，在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)分配。這種設(shè)計(jì)稱為集中式電源結(jié)構(gòu) (CPA)，見圖 1。以高電流分配低電壓時(shí)，銅線或 PCB 軌道會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電阻損耗，CPA 就會(huì)發(fā)生問題。

圖 1 集中式電源結(jié)構(gòu)

2. 分布式電源結(jié)構(gòu)

CPA 的替代方案是分布式電源結(jié)構(gòu)(DPA)，見圖 2。采用 DPA 時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)僅分配一個(gè)半穩(wěn)壓的 DC 電壓，各 DC/DC 轉(zhuǎn)換器(線性或開關(guān)式)與各負(fù)載相鄰。DPA 中，DC/DC 轉(zhuǎn)換器與負(fù)載(例如 FPGA)之間的距離近得多，因而線路電阻和配線電感引起的電壓下降得以減小。這種為負(fù)載提供本地電源的方法稱為負(fù)載點(diǎn)(POL)。

圖 2 分布式電源結(jié)構(gòu)

四、FPGA 的管腳介紹

FPGA 引腳分為兩類：專用引腳和用戶自定義引腳;

專用引腳大概占 FPGA 引腳數(shù)的 20%~30%，也就是說其硬件編碼都是為了實(shí)現(xiàn)專用功能而編寫的。

而專用引腳又分為以下 3 個(gè)子類：

電源引腳：接地或陽(yáng)極引腳(內(nèi)核或 IO)。

配置引腳：用來“下載”FPGA。

專用輸入或時(shí)鐘引腳：它們能驅(qū)動(dòng) FPGA 內(nèi)部的大網(wǎng)線，適合于帶有大輸出端口(fanout)的時(shí)鐘和信號(hào)。

其它的引腳就是用戶引腳了。

1. 用戶引腳

FPGA 的大部分引腳屬于“用戶引腳”(比如所謂的“IOs",或者"I/Os",或"用戶 I/Os",或"用戶 IOs”，或"IO 引腳",或……自己理解)。IO 代表“輸入 - 輸出”。

注意：

用戶可以完全自定制用戶 IO。它們可以被編程作為輸入，輸出或雙向 IO(三向緩沖)。每個(gè)“IO 引腳”被連接$到 FPGA 內(nèi)部的 IO 單元上。這個(gè)“IO 單元”通過 VCCIO(IO 加電引腳)引腳來上電。

2.IO 簇

通常每個(gè) FPGA 有很多 VCCIO 引腳(IO Power pins)，都被加同樣的電壓。但是新一代的 FPGA 引入了“用戶 IO 組”?？梢园?IO 分為不同的組，每組加各自的電壓。這就使 FPGA 可以用作一個(gè)變壓轉(zhuǎn)換器了，比如對(duì)于開發(fā)板部分工作于 3.3v，部分工作于 2.5v 的很有用。(比如 cyclone III 系列的接 DDR2 要 1.8V 的電壓)

3.FPGA 電源

FPGA 通常需要兩個(gè)電壓才能運(yùn)行：一個(gè)是“核心電壓”，另一個(gè)是“IO 電壓”。每個(gè)電壓通過獨(dú)立的電源引腳來提供。

內(nèi)核電壓(這里簡(jiǎn)稱 VCCINT)是用來給 FPGA 內(nèi)部的邏輯門和觸發(fā)器上的電壓。該電壓隨著 FPGA 的發(fā)展從 5v、3.3v、2.5v、1.8v、1.5v 變的越來越低。核心電壓是固定的。(根據(jù)所用 FPGA 的模式來確定)。IO 電壓(簡(jiǎn)稱 VCCIO)是用于 FPGA 的 IO 模塊(同 IO 引腳)上的電壓。該電壓應(yīng)該與其它連接到 FPGA 上的器件的電壓匹配。

實(shí)際上，F(xiàn)PGA 器件本身是允許 VCCINT 和 VCCIO 相同的(比如 VCCINT 和 VCCIO 兩種引腳可以被連接在一起)。但是 FPGA 設(shè)計(jì)是面向低電壓內(nèi)核和高電壓 IO 的，所以兩種電壓一般是不相同的。

命名

內(nèi)部電壓 Xilinx 簡(jiǎn)稱 VCC，Altera 簡(jiǎn)稱 VCCINT;IO 電壓 Xilinx 簡(jiǎn)稱 VCCO，而 Altera 簡(jiǎn)稱 VCCIO。

五、FPGA 功耗分析

外部電源為 FPGA 或者 CPLD 內(nèi)部和外部正常工作提供電能源。實(shí)施電源方案時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該明確知道這些供電電源 ( 也稱為“軌式電源” ) 的總功率。而且，和器件外部消耗的總功率相比，設(shè)計(jì)人員還需要考慮器件內(nèi)部實(shí)際消耗的總功率 ( 稱為“熱功率”或者“耗散功率” ) ，例如，外部輸出電容負(fù)載和平衡電阻匹配網(wǎng)絡(luò)的功耗。

器件、輸出負(fù)載、外部匹配網(wǎng)絡(luò) ( 如果有 ) 的總功耗通常包括以下幾部分：

待機(jī)功耗

動(dòng)態(tài)功耗

I/O 功耗

待機(jī)功耗來自器件待機(jī)模式下的 ICCINT 電流。內(nèi)核動(dòng)態(tài)功耗來自器件內(nèi)部開關(guān) ( 內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電容沖放電 )。I/O 功耗來自外部開關(guān) ( 和器件引腳連接的外部負(fù)載電容沖放電 )、 I/O 驅(qū)動(dòng)和外部匹配網(wǎng)絡(luò) ( 如果有 ) 。

熱功耗是器件封裝內(nèi)部實(shí)際消耗總功率的一部分，其余部分在外部耗散掉。設(shè)計(jì)人員在確定器件本身熱傳導(dǎo)能力 ( 稱為熱阻 ) 能否滿足內(nèi)部管芯結(jié)溫正常工作要求時(shí)，或者需要鋁熱沉等其他散熱方案來實(shí)現(xiàn)更好的熱傳導(dǎo)性能時(shí)，應(yīng)該考慮器件內(nèi)部的實(shí)際熱功耗。一般而言，待機(jī)功耗、動(dòng)態(tài)功耗以及部分 I/O 功耗組成了總功耗中的實(shí)際熱功耗。

1. 待機(jī)功耗

由于泄漏電流的存在，器件在待機(jī)時(shí)也會(huì)消耗能量。待機(jī)功耗隨管芯大小、溫度以及工藝的變化而變化。可以利用器件特征參數(shù)來模擬待機(jī)功耗，并定義為兩類：典型功耗和最大功耗。

Stratix II 器件使用 90 nm 工藝技術(shù)，對(duì)功耗和性能進(jìn)行了優(yōu)化。和前一工藝技術(shù)的器件相比，90 nm 器件由于泄漏導(dǎo)致靜態(tài)功耗增大，對(duì)總功耗有很大的影響。90 nm 工藝節(jié)點(diǎn)的待機(jī)功耗比以前的工藝技術(shù)更依賴于管芯結(jié)溫。設(shè)計(jì)人員應(yīng)重視降低結(jié)溫，以便降低總功耗的待機(jī)功耗。下面的圖 1 是待機(jī)功耗和結(jié)溫的關(guān)系。

2. 動(dòng)態(tài)功耗

內(nèi)部節(jié)點(diǎn)改變邏輯狀態(tài)時(shí)會(huì)消耗器件內(nèi)部動(dòng)態(tài)功耗，因?yàn)樗枰芰繉?duì)邏輯陣列和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部電容進(jìn)行沖放電 ( 例如，從邏輯 0 變到邏輯 1) 。內(nèi)核動(dòng)態(tài)功耗包括導(dǎo)線功耗和邏輯單元 (LE) 功耗 ( 或者 Stratix II 的自適應(yīng)邏輯模塊 (ALM))。LE/ALM 功耗來自內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電容沖放電以及內(nèi)部電阻單元的電流。導(dǎo)線功耗來自每個(gè) LE/ALM 驅(qū)動(dòng)外部導(dǎo)線電容時(shí)的沖放電電流。內(nèi)核動(dòng)態(tài)功耗主要來自以下結(jié)構(gòu)單元：

RAM 模塊 (M512、 M4K 和 M-RAM)

DSP 乘法器模塊

鎖相環(huán) (PLL)

時(shí)鐘樹網(wǎng)絡(luò)

高速差分接口 (HSDI) 收發(fā)器

上面列出的每個(gè)單元結(jié)構(gòu)總電流之和與 VCCINT (Stratix II 為 1.2V) 相乘得到動(dòng)態(tài)總功耗：

動(dòng)態(tài)功耗 = VCCINT × Σ ICCINT (LE/ALM, RAM, DSP, PLL, Clocks, HSDI, 導(dǎo)線 )

得到多個(gè)電容之和后，采用等價(jià) ( 集總 ) 電容值計(jì)算動(dòng)態(tài)功耗。例如，信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸入或者輸出時(shí)，對(duì)引腳、走線和封裝電容求和。如果明確了內(nèi)部開關(guān)頻率，這一近似方法是足夠的。Altera 利用近似曲線 ( 基于特征數(shù)據(jù) ) 來確定內(nèi)部開關(guān)頻率，有效地估算大部分設(shè)計(jì)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)功耗。估算器件資源的總功耗時(shí)，應(yīng)考慮資源的最大開關(guān)頻率、估算的觸發(fā)因子、下游邏輯扇出，以及通過器件特征參數(shù)獲得的資源系數(shù)等。Altera 的 PowerPlay 功耗分析和優(yōu)化工具包考慮了所有這些因素進(jìn)行功耗估算和分析。

3、IO 功耗

I/O 功耗是 VCCIO 功耗，主要來自器件輸出引腳連接的外部負(fù)載電容、阻抗模式輸出驅(qū)動(dòng)電路以及外部匹配網(wǎng)絡(luò) (如果有) 的沖放電電流。器件 I/O 功耗按下式計(jì)算：

I/O power 功耗

= (有源輸出驅(qū)動(dòng)數(shù) × 功耗系數(shù)) +0.5 × (管芯、封裝走線、引腳和輸出負(fù)載電容之和) ×I/O 標(biāo)準(zhǔn)電壓擺幅 × fMAX × (觸發(fā)因子 /100) × VCCIO

有源輸出驅(qū)動(dòng)數(shù)包括有源雙向輸出。除了上面計(jì)算的 I/O 功耗，還有其他因素影響 I/O 功耗，包括同時(shí)由 VCCIO 供電的 I/O 緩沖單元。下面的圖 2 是 I/O 緩沖模型。

如前所述， FPGA 或者 CPLD 內(nèi)部要實(shí)際消耗一部分 VCCIO 功耗，外部匹配電阻網(wǎng)絡(luò)以及輸出電容負(fù)載消耗了另一部分能量。設(shè)計(jì)人員在規(guī)劃散熱管理方案時(shí)，應(yīng)考慮 VCCIO 的內(nèi)部功耗 ( 器件本身或者通過外部熱沉) 。作為 VCCIO 電壓穩(wěn)壓器和轉(zhuǎn)換器 ( 指軌式電源 ) 輸出功率的一部分，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮外部功率組成。

4. 其他功耗要求

設(shè)計(jì) FPGA 和 CPLD 時(shí)，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)該考慮和總功耗有關(guān)的其他幾個(gè)因素：浪涌電流、配置功耗以及 VCCPD( 僅對(duì) Stratix II) 。

4.1 浪涌電流

浪涌電流是器件初始化上電時(shí)的電流。在上電階段，必須為器件提供最低邏輯陣列電流 (ICCINT) ，并維持一段時(shí)間。這一持續(xù)時(shí)間取決于電源提供的電流大小。如果電流較大， VCCINT 能夠迅速上升。當(dāng)電壓達(dá)到額定值的 90%時(shí)，一般不再需要最初的大電流。最大浪涌電流和器件溫度成反比。隨著器件溫度的提高，上電浪涌電流下降 ( 而待機(jī)電流會(huì)隨著溫度提高而增大 ) 。

4.2 配置功耗

對(duì)于普通的 FPGA ，配置功耗是配置器件時(shí)消耗的能量。在配置和初始化階段，器件需要能量來復(fù)位寄存器，使能 I/O 引腳，進(jìn)入工作模式。上電階段， I/O 引腳在配置前以及配置期間為三態(tài)，以降低功耗，防止在這段時(shí)間驅(qū)動(dòng)輸出。

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