理解并满足FPGA电源要求(下)

接上篇
5 电源是一种系统级问题
电源轨通常有特殊的硬件和互操作性要求，而当前的 需求很大程度上取决于每一用户独特的设计，因此，尽可能 在设计早期阶段考虑FPGA电源管理就显得非常重要。系统 级决定包括电源供电分组和排序、数字控制，而硬件设计对 系统性能、成本和设计时间有较高的要求，这意味着要通过 合理的规划来降低风险。
6  电源轨分组和排序
一片FPG A会有很多需要电源供电的输入引脚， 但是 并没有必要为每一FPGA电源轨输入专门供电。对于每一种 FPGA，Altera提供了引脚连接指南文档，不但详细介绍了每 一引脚，而且还推荐了电源树，对各种相似的电源轨进行 分组。可以访问www.altera.com上每一种FPGA器件的产品页 面，获得引脚连接指南文档。图3（181页）显示了一个推荐 的电源树实例。为具有数据速率≤11.3  Gbps收发器的Arria 10 GX推荐的 电源树，该器件支持SmartVID特性。综合考虑这些因素，FPGA设计的所有电源供电要求会导致建立FPGA电源树，这也将带来特殊需求，影响电源转 换器的选择和使用。例如，很多先进的FPGA要求排序—— 即，FPGA中不同的资源有不同的电压轨，必须在其他资源 上电之前供电。
这就要求每一电源供电都有使能引脚，在 电源接通时能够通信，调节到所要求的电压。EN6360QI等 多种Enpirion器件具有“Power OK”或者“Power Good”引 脚，支持这一功能，这些引脚可以用于向系统控制器或者排 序器件发出信号，某一FPGA输入已经接通电源，可以开始 下一排序步骤。

7 数字控制
另一常见的系统电源要求是能够进行远程监视——在 这一过程中，可以远程测量系统参数，与接收系统通信，实 现监视。要实现更智能的系统电源监视和优化功能，输入电 压、输出电压、输出/负载电流和温度等参数都是非常重要 的信息。例如，系统设计人员希望能够监视负载电流和温 度，以确保FPGA按照预期工作，能够通知系统管理人员去 查看或者替换不正常工作或者过热的FPGA电路板。另一个 实例是系统设计人员希望能够记录FPGA在各种应用情况下 的功耗，利用这些信息动态的调节某些FPGA性能，或者调 节系统中不需要的某些部分，以便降低系统功耗，实现更绿 色、性价比更高的最终设备。可以通过几种方式来实现这类 系统状态监视功能，而最简单、最便宜、最紧凑的方式是使 用集成了远程监视功能和相应的通信总线的电源调节器。
Altera的Arria 10 FPGA和SoC还集成了低功耗特性，与先进的电源转换器相结合后，实现了最低功耗。一个基本的实例是智能电压ID (SmartVID)，利用这一特性，FPGA与兼容电源通信，将内核电压轨尽可能动态调整到最小，而且 不会牺牲系统性能。兼容电源通过业
界标准接口和控制功 能支持这类通信，例如，并行VID接口或者PMBus接口等， 完成对输出电压的调整。图4所示是怎样在FPGA系统中实现 SmartVID的一个实例。一个实例解决方案是Altera支持PMBus的ED8101P0xQI 单相数字控制器，与ET4040QI大电流电源
配对使用，支持 FPGA用户实现多种远程监视和低功耗特性。这包括：
● 监视系统输入和输出参数，例如，电压、电流和温 度。
●   监视系统故障，例如，过压和欠压以及过热状态等。
●   动态输出电压调整，以支持SmartVID特性。
要实现SmartVID特性，FPGA应通过PMBus接口，确定 与电压调节器系统之间所需的VCC电压和通信，电压调节器 系统是内核电源轨电源转换器总体解决方案。使用上面介绍 的Enpirion解决方案，可以采用ED8101P0xQI实现电源管理 控制器，采用ET4040QI实现电压调节器。

8 硬件设计
由于很多系统硬件设计有可能影响设计的复杂程度、周 期和成本，因此，尽早规划FPGA设计的电源树非常关键。 而在设计开始时很难明确电源需求，因此，仔细考虑FPGA 功耗估算有助于帮助用户建立与最终的最优设计非常接近的 电源树。这样做的第一个优点是硬件设计人员即使是在刚开 始电路板设计时也能够正确的放置所需的电源转换器。用户 增加了更多的功能，导致电路板上的元器件越来越多，而外 形却越来越小，FPGA系统面临更大的印刷电路板(PCB)密度 难题，因此这一优点非常重要。如果在PCB布板期间没有规 划电源树，那么用户面临的风险是不得不把电源转换器放在 距离FPGA很远的不理想的位置，这有很多缺点。例如，用 户可能不得不把相应的电源转换器放到PCB空间有限的不合 适的电路板位置上，这些地方散热、解决方案的体积以及与 FPGA的距离会带来很大的硬件难题，包括需要采用较大而
且很昂贵的体电容等，而且还劣化了性能。更糟的是，用户有可能根本没有足够的空间来放置电源转换器。
     早期电源树规划的第二个优点是设计非常灵活，不需 要大规模的重新设计，就能够满足最终FPGA设计的功耗需 求。FPGA的核心能力是能够集成特性和功能，即使是在设 计过程中也能如此，集成度越高，功耗特性就越好。当最初 设计非常不精确时，在设计快结束时调整并优化最初的电源 树，要比设计新电源树容易得多，也快很多。公司在面临尽 快交付产品压力的大环境下，降低修改规划不好的电源树造 成的电路板重制的风险和成本，减少在重制上所花的额外时 间，这是很大的优势，能够帮助系统设计人员抢在竞争对手 之前更快的将产品推向市场，尽早获得收益。Altera为规划和建立FPGA电源树提供了很多工具，如 表2所述。

9 结论
虽然只能以“看情况而定”来回答用户怎样对FPGA供 电这一问题，理解FPGA设计和应用怎样影响功耗和电源供 电要求会让设计更清晰，更容易成功。FPGA功耗的主要来 源是静态和动态功耗要求，动态功耗主要取决于每一个独特 的FPGA设计。但是，不论什么样的设计，FPGA电源供电设计都有一 些常见的要求，这有助于简化并指导系统设计决定。Altera的 Enpirion电源解决方案设计满足了这些苛刻的FPGA电源要求。 例如，采用Enpirion的低波纹、快速瞬时响应电源转换 器，可以保证在所有负载条件下满足无缝工作严格
的静态和 动态内核电压要求。相似的，敏感的FPGA电压轨使用低噪 声Enpirion PowerSoC而不是线性调节器，保证了能够达到信 号完整性、电源效率和散热预算目标。最后，使用Enpirion 具有PMBus的ED8101P0xQI数字控制器和ET4040QI大电流电 源等先进的电源转换器解决方案，能够实现独具优势的系统特性，例如远程监视和低功耗等。在灵活的FPGA设计中，电源的确是系统级问题，要求 尽可能估算FPGA的功耗，尽早设计好电源树，以满足设计 独特的需求。其优点是能够以更少的资源更迅速的完成最优 系统设计，以合适
的性能特性获得强大的竞争优势。