Xilinx FPGA的電源設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案

本篇主要介紹Xilinx FPGA的電源設(shè)計(jì)，主要包括電源種類、電壓要求、功耗需求，上下電時(shí)序要求，常見的電源實(shí)現(xiàn)方案等。

1、電壓種類及要求

隨著FPGA的發(fā)展，其電壓類型越來越豐富，主要包括以下幾種類型：

Processor System電壓，主要給Zynq系列SoC中的ARM供電，包括VCC_PSINTFP、VCC_PSINTLP、VCC_PSAUX、VCC_PSINTFP_DDR、VCC_PSADC、VCC_PSPLL、VPS_MGTRAVCC、VPS_MGTRAVTT、VCCO_PSDDR、VCC_PSDDR_PLL、VCCO_PSIO、VCC_PSBATT等；

FPGA Logic電壓，主要給FPGA邏輯部分供電，包括VCCINT、VCCINT_IO、VCCBRAM、VCCAUX、VCCO、VCCAUX_IO、VBATT等；

GTx Transceiver電壓，主要給FPGA部分的GTx高速收發(fā)器供電，包括VCCINT_GT、VMGTAVCC、VMGTAVTT、VMGTVCCAUX、VMGTAVTTRCAL；

System Monitor電壓，主要給FPGA部分的ADC供電，包括VCCADC、VREFP；

High Bandwidth Memory電壓，包括VCC_HBM、VCC_IO_HBM、VCCAUX_HBM；

VCU電壓，只有Zynq UltraScale+ MPSoC系列帶圖像處理內(nèi)核的器件才有，包括VCCINT_VCU；

RF電壓，只有Zynq UltraScale+ RFSoC系列才有，包括VADC_AVCC、VADC_AVCCAUX、VDAC_AVCC、VDAC_AVCCAUX、VDAC_AVTT、VCCINT_AMS、VCCSDFEC；

以上各種電壓的供電對(duì)象不同，對(duì)精度的要求也不一樣，針對(duì)不同架構(gòu)的FPGA，其對(duì)電壓的精度要求也不一樣，其紋波范圍從2%到5%不等，但整體要求都比較高，而電流要求卻越來越大，比如VCCINT最大能到幾十安。同時(shí)各種電壓值不同，有的可以合并，有的卻不能合并，同時(shí)還需要時(shí)序上的控制。

針對(duì)Zynq UltraScale+ MPSoC（ZU+ MPSoC）、Zynq UltraScale+ RFSoC（ZU+ RFSoC）、Zynq 7000（Z7）、UltraScale +（US+包括VU+和KU+）、UltraScale（US包括VU和KU）、7系列等，對(duì)每一類型電壓及要求電壓值、精度羅列如下表：

2、功耗

FPGA的功耗包括所用邏輯單元數(shù)/BRAM數(shù)等內(nèi)部資源、工作時(shí)鐘頻率、切換速率、布線和I/O功耗等。對(duì)于I/O功耗，影響因素包括輸出類型、工作時(shí)鐘頻率、以及輸出的信號(hào)翻轉(zhuǎn)數(shù)量以及輸出負(fù)載等。實(shí)際功耗取決于特定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本部分內(nèi)容主要針對(duì)FPGA logic部分的功耗，而對(duì)于Zynq系列，由于其操作系統(tǒng)不同、應(yīng)用不同，無法進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，但可以通過軟件進(jìn)行粗略評(píng)估。

整個(gè)FPGA設(shè)計(jì)的總功耗由三部分功耗組成：芯片靜態(tài)功耗、設(shè)計(jì)靜態(tài)功耗、設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)功耗。

芯片靜態(tài)功耗：FPGA在上電完成后還未配置時(shí)的功耗，主要是晶體管的泄露電流所消耗的功耗。

設(shè)計(jì)靜態(tài)功耗：當(dāng)FPGA配置完成后，當(dāng)設(shè)計(jì)還未啟動(dòng)時(shí)，需要維持I/O的靜態(tài)電流，時(shí)鐘管理和其它部分電路的靜態(tài)功耗。

設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)功耗：FPGA內(nèi)設(shè)計(jì)正常啟動(dòng)后，設(shè)計(jì)的功耗；這部分功耗的多少主要取決于芯片所用電平，以及FPGA內(nèi)部邏輯和布線資源的占用情況等。

2.1、待機(jī)功耗（芯片靜態(tài)功耗）

由于漏電流的存在，器件在待機(jī)時(shí)也會(huì)消耗能量。待機(jī)功耗隨芯片DIE的大小、溫度以及工藝的變化而變化?？梢岳闷骷卣?a target="_blank">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。

2.2、IO功耗（設(shè)計(jì)靜態(tài)功耗）

I/O功耗是VCCO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）的充放電電流。

如前所述，F(xiàn)PGA內(nèi)部要實(shí)際消耗一部分VCCO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)劃散熱方案時(shí)，應(yīng)考慮VCCO的內(nèi)部功耗。作為VCCO電源輸出功率的一部分，設(shè)計(jì)人員也應(yīng)考慮外部功耗的組成。

2.3、動(dòng)態(tài)功耗（設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)功耗）

內(nèi)部節(jié)點(diǎn)改變邏輯狀態(tài)時(shí)（例如，從邏輯0變到邏輯1）會(huì)形成器件內(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)行充放電。內(nèi)核動(dòng)態(tài)功耗包括邏輯單元功耗和導(dǎo)線功耗。LE功耗來自內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電容充放電以及內(nèi)部電阻單元的電流損耗。導(dǎo)線功耗來自每個(gè)LE驅(qū)動(dòng)外部導(dǎo)線電容時(shí)的充放電電流。內(nèi)核動(dòng)態(tài)功耗主要來自以下結(jié)構(gòu)單元：

LUT

RAM模塊

DSP Slice

鎖相環(huán)（PLL）

時(shí)鐘樹網(wǎng)絡(luò)

GTx收發(fā)器

IP使用情況

IO使用情況

2.4、功耗設(shè)計(jì)

前兩部分的功耗取決于FPGA芯片及硬件設(shè)計(jì)本身，很難有較大的改善?？梢詢?yōu)化的是第3部分功耗：設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)功耗，這部分功耗占總功耗的90%以上，因此降低設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)功耗是降低整個(gè)系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵因素。

Tjmax》θJA*PD+TA

其中Tjmax表示FPGA芯片的最高結(jié)溫（maximum junction temperature）；θJA表示FPGA與周圍大氣環(huán)境的結(jié)區(qū)熱阻抗（Junction to ambient thermalresistance），單位是℃/W；PD表示FPGA總功耗（power dissipation），單位是W；TA表示周圍環(huán)境溫度。

以XC7K325T-2FFG900I系列芯片為例，θJA=9.7℃/W，在TA=55℃的環(huán)境中，想要結(jié)溫Tjmax不超過100°C的情況下，可以推算FPGA的總功耗為：

PD《（Tjmax-TA）/θJA=（100-55）/9.7=4.639W

因此實(shí)際功耗只要超過此值就需要進(jìn)行優(yōu)化處理，優(yōu)化處理的方法主要有兩種：一是降低θJA：熱阻抗取決于芯片與環(huán)境的熱傳導(dǎo)效率，可通過加散熱片或者風(fēng)扇減小熱阻抗；二是減小PD：通過優(yōu)化FPGA設(shè)計(jì)，降低總功耗。下面就針對(duì)這兩部分進(jìn)行介紹。

2.4.1、降低θJA

此部分詳見之前的文章《可靠性設(shè)計(jì)之熱設(shè)計(jì)》。

2.4.1、減小PD

2.4.1.1、功耗估計(jì)

Xilinx FPGA的功耗評(píng)估常見的有幾種方案：Xilinx自己的XPE（可以在xilinx官網(wǎng)上下載到：http://www.xilinx.com/power，它是一個(gè)基于excel的工具）、TI的WEBENCH（貌似只有FPGA部分，沒有ARM部分）、Vivado軟件、開發(fā)板實(shí)測評(píng)估等，這幾種方案都可以根據(jù)自己的外設(shè)進(jìn)行定制，方便靈活。

在低功耗設(shè)計(jì)之前，需要先進(jìn)行功耗評(píng)估。XPE主要是在項(xiàng)目初期，處于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，RTL代碼并未完善階段功耗估計(jì)時(shí)使用。在設(shè)計(jì)完成綜合實(shí)現(xiàn)后，則可以使用vivado自帶的功耗分析工具進(jìn)行精確計(jì)算功耗。打開綜合實(shí)現(xiàn)后的設(shè)計(jì)，點(diǎn)擊report power即可得到功耗分析的結(jié)果。

此部分可以參見之前的文章《Zynq UltraScale+系列之“電源”》。

2.4.1.2、功耗優(yōu)化

關(guān)于FPGA低功耗設(shè)計(jì)，可從兩方面著手：一是算法優(yōu)化；二是FPGA資源使用效率優(yōu)化。

算法優(yōu)化

算法優(yōu)化可分為兩個(gè)層次說明：實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法。首先肯定需要設(shè)計(jì)一種最優(yōu)化的算法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，使資源占用達(dá)到最少，當(dāng)然功耗也能降到最低，但是還需要保證性能，使FPGA設(shè)計(jì)在面積和速度上都能兼顧。比如在選擇采用流水線結(jié)構(gòu)還是狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，流水線結(jié)構(gòu)同一時(shí)間所有的狀態(tài)都在持續(xù)工作，而狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)只有一個(gè)狀態(tài)是使能的，顯而易見流水線結(jié)構(gòu)的功耗更多，但其數(shù)據(jù)吞吐率和系統(tǒng)性能更優(yōu)，因此需要合理選其一，使系統(tǒng)能在面積和速度之間得到平衡。

另一個(gè)層面是具體的實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)中所有吸收功耗的信號(hào)當(dāng)中，時(shí)鐘是罪魁禍?zhǔn)?。雖然時(shí)鐘可能運(yùn)行在100MHz，但從該時(shí)鐘派生出的信號(hào)卻通常運(yùn)行在主時(shí)鐘頻率的較小分量（比如12%～15%）。此外，時(shí)鐘的扇出一般也比較高。這兩個(gè)因素顯示，為了降低功耗，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真研究時(shí)鐘。首先，如果設(shè)計(jì)的某個(gè)部分可以處于非活動(dòng)狀態(tài)，則可以考慮禁止時(shí)鐘樹翻轉(zhuǎn)，而不是使用時(shí)鐘使能。時(shí)鐘使能將阻止寄存器不必要的翻轉(zhuǎn)，但時(shí)鐘樹仍然會(huì)翻轉(zhuǎn)，消耗功率。其次，隔離時(shí)鐘以使用最少數(shù)量的信號(hào)區(qū)。不使用的時(shí)鐘樹信號(hào)區(qū)不會(huì)翻轉(zhuǎn)，從而減輕該時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。

資源使用效率優(yōu)化

資源使用效率優(yōu)化是使用FPGA內(nèi)部的一些資源（如BRAM，DSP slice）時(shí)，可以優(yōu)化功耗的方法。FPGA動(dòng)態(tài)功耗主要體現(xiàn)為存儲(chǔ)器、內(nèi)部邏輯、時(shí)鐘、I/O等的功耗。

其中存儲(chǔ)器是功耗大戶，如xilinx FPGA中的存儲(chǔ)器單元Block RAM，因此主要介紹對(duì)BRAM的一些功耗優(yōu)化方法。

下圖中雖然BRAM只使用了7%，但是其功耗0.614W占了總設(shè)計(jì)的42%，因此優(yōu)化BRAM的功耗能有效地減小FPGA的動(dòng)態(tài)功耗。

下面介紹一下優(yōu)化BRAM功耗的方法：

使用“NO CHANGE”模式：在BRAM配置成True Dual Port時(shí)，需要選擇端口的操作模式：“Write First”，“Read First” or “NO CHANGE”，避免讀操作和寫操作產(chǎn)生沖突，如圖6所示；其中“NO CHANGE”表示BRAM不添加額外的邏輯防止讀寫沖突，因此能減少功耗，但是設(shè)計(jì)者需要保證程序運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生讀寫沖突。

設(shè)置成“NO CHANGE”后BRAM的功耗從0.614W降到了0.599W，因?yàn)橹皇褂昧?%的BRAM，如果設(shè)計(jì)中使用了大量的BRAM，效果能更加明顯。

控制“EN”信號(hào)：BRAM的端口中有clock enable信號(hào)，在端口設(shè)置中可以將其使能，模塊例化時(shí)將其與讀/寫信號(hào)連接在一起，如此優(yōu)化可以使BRAM在沒有讀/寫操作時(shí)停止工作，節(jié)省不必要的功耗。

控制“EN”信號(hào)優(yōu)化后BRAM功耗降到了0.589W。

拼深度：當(dāng)設(shè)計(jì)中使用了大量的存儲(chǔ)器時(shí)，需要多塊BRAM拼接而成，如需要深度32K，寬度32-bit，32K*32Bit的存儲(chǔ)量，但是單塊BRAM如何配置是個(gè)問題。7 series FPGA中是36Kb 的BRAM，其中一般使用32Kb容量，因此可以配置成32K*1-bit或者1K*32-bit，多塊BRAM拼接時(shí)，下圖中前者是“拼寬度”，后者是“拼深度”。兩種結(jié)構(gòu)在工作時(shí)，“拼寬度”結(jié)構(gòu)所有的BRAM需要同時(shí)進(jìn)行讀寫操作；而“拼深度”結(jié)構(gòu)只需要其中一塊BRAM進(jìn)行讀寫，因此在需要低功耗的情況下采用“拼深度”結(jié)構(gòu)。但需要特別注意的是：“拼深度”結(jié)構(gòu)需要額外的數(shù)據(jù)選擇邏輯，增加了邏輯層數(shù)，為了降低功耗即犧牲了面積又犧牲了性能。

3、上下電時(shí)序

3.1、上電時(shí)序

FPGA通常需要多路供電電壓，并且要求一定的上電/斷電順序。順序上電有助于限制上電期間的浪涌電流。如果忽視器件的供電順序要求，可能導(dǎo)致器件損壞或閂鎖，造成FPGA器件故障。有三種類型的上電時(shí)序：同步跟蹤、順序跟蹤和比率跟蹤。

針對(duì)各個(gè)系列的FPGA芯片，其內(nèi)部各功能模塊的上電時(shí)序一般是相互獨(dú)立的，各個(gè)功能模塊內(nèi)部是有先后順序的要求。詳細(xì)可參看各個(gè)器件的data sheet，其中會(huì)有詳細(xì)的先后順序約束。

3.2、上升單調(diào)性

啟動(dòng)過程中，電源電壓保持單調(diào)爬升非常重要，只有這樣才能確保器件成功開啟。一般的FPGA給出了嚴(yán)格的電壓單調(diào)上升要求，即電源電壓應(yīng)該連續(xù)上升至所設(shè)置的穩(wěn)壓值，中間不應(yīng)發(fā)生跌落。如果電源不能提供足夠的輸出功率，則會(huì)造成跌落。

3.3、上電時(shí)間

大多數(shù)FPGA規(guī)定了啟動(dòng)電壓上升速率的最小值和最大值，電源通過在啟動(dòng)過程中逐漸增大限流值實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。軟啟動(dòng)減緩了電源電壓的上升速率，也降低了注入FPGA的峰值浪涌電流。一般的電源可利用連接在引腳的軟啟動(dòng)電容設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間。

3.4、掉電時(shí)序

斷電時(shí)序也是需要控制的，標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)序是把上電時(shí)序倒過來。

3.5、特殊情況的時(shí)序控制

經(jīng)常會(huì)有FPGA和ARM等其他CPU互連的情況，為了不損壞器件，此時(shí)FPGA和ARM的上電時(shí)序既要滿足自身的上電時(shí)序要求，也要滿足對(duì)方的上電時(shí)序要求，這種情況可以進(jìn)行如下處理：

當(dāng)FPGA和ARM各自使用自己的配置文件時(shí)：由于ARM處于復(fù)位狀態(tài)時(shí)IO為輸入狀態(tài)，而FPGA需要完成配置后才能確定其IO的狀態(tài)，因此ARM和FPGA可以各自進(jìn)行各自的上電時(shí)序，當(dāng)ARM的上電時(shí)序完成后處于復(fù)位狀態(tài)，這樣IO為輸入狀態(tài)，當(dāng)FPGA上電完成后進(jìn)行配置，配置完成后給ARM一個(gè)配置完成信號(hào)，此信號(hào)去釋放ARM的復(fù)位，設(shè)置對(duì)應(yīng)的IO狀態(tài)，就不會(huì)出現(xiàn)IO沖突了，也不會(huì)影響FPGA啟動(dòng)時(shí)序，也不會(huì)導(dǎo)致FPGA接口出現(xiàn)閂鎖效應(yīng)。

當(dāng)FPGA是使用ARM給配置文件時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)IO沖突的情況，因?yàn)镕PGA釋放復(fù)位，進(jìn)行配置之前，IO是高阻態(tài)，F(xiàn)PGA沒有配置文件，不會(huì)去設(shè)置IO狀態(tài)。

4、電源方案

目前針對(duì)FPGA的常用電源解決方法包括使用單路LDO、單路DC/DC、單顆Power Module、PMIC等。

4.1、LDO

如果電路板空間有保證，低輸出噪聲很重要，或者系統(tǒng)要求對(duì)輸入和瞬態(tài)現(xiàn)象快速響應(yīng)，就應(yīng)該采用LDO。LDO提供了中低輸出電流。輸入電容通常會(huì)切斷輸入至LDO的阻抗和噪聲。LDO還要求在輸出端有一個(gè)電容器，以處理系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)并提供穩(wěn)定性。

4.2、SMPS

當(dāng)設(shè)計(jì)效率非常關(guān)鍵且系統(tǒng)要求大輸出電流時(shí)，開關(guān)電源具有優(yōu)勢。開關(guān)電源提供比LDO更高的效率，但其開關(guān)特性使其對(duì)噪聲更敏感。與LDO不同，開關(guān)電源需要使用電感器，而且可能需要變壓器進(jìn)行DC-DC轉(zhuǎn)換，對(duì)PCB空間需求較大。

4.3、Power Module

Power Module可以省去自己搭建外圍電路，且廠家設(shè)計(jì)的模塊一般比自己設(shè)計(jì)的性能會(huì)更好（效率更高、紋波更?。?，但電源模塊一般是在電流需求比較大的情況下會(huì)選擇。

4.4、PMIC

由于FPGA的廣泛應(yīng)用，目前針對(duì)FPGA的專用PMIC越來越多，從輸出電壓、通道數(shù)、輸出電流等方面都能很好的滿足特定FPGA芯片的需求，同時(shí)PCB占用面積、設(shè)計(jì)便捷性、價(jià)格等方面都比較有優(yōu)勢。ZU+ MPSoC系列可參見之前的文章《Zynq UltraScale+系列之“電源”》，其他系列類似，詳細(xì)可以參見TI、Infineon、ADI（含凌特）等廠家官網(wǎng)，有相關(guān)FPGA系列芯片對(duì)應(yīng)的解決方案。

以上就是針對(duì)Xilinx FPGA的電源介紹，主要包括了電源的種類、電壓要求、功耗分析、上下電時(shí)序、電源實(shí)現(xiàn)方式等。

審核編輯：郭婷