理解并满足FPGA电源要求(上)

     灵活的FPGA实现方案具有很多优势但也面临很大的挑战：为FPGA供电以确保无缝工作。本白皮书旨在找到是什 么原因导致FPGA供电越来越复杂，介绍设计FPGA电源树时 必须要综合考虑的问题，研究FPGA电源为什么是真正的系 统级问题，这一系统级问题为什么日益突出。

1 是什么决定了FPGA电源要求?
FPGA的功耗需求是由固定的和变化的两种因素综合决 定的：工艺技术和硅片设计所带来的静态功耗，以及每一设 计独特的应用所带来的动态功耗。动态功耗是每一资源具体的使用及其使用量的产物， 与信号触发和电容负载充放电导致的额外功耗有关。结果， 负载较重的FPGA设计和具有较高时钟频率的设计通常功耗 更大一些。例如，使用通用I/O和高速串行收发器时，所使 用的I/O标准以及预期的数据速率等因素会确定I/O触发速 率，以及逻辑时钟速率，因此，这类收发器会影响总电源需 求。正如预期，数据速率越快，所需要的时钟频率越高，负 载就必须以更快的频率充放电，因此，功耗也就越高。由 于多种因素确定了FPGA的电源要求，因此，不同的FPGA系 列，即使是完全相同的FPGA在不同的应用环境下，电源要 求都会各不相同。
理解FPG A设计的电源要求会非常复杂， 但是也非常 重要，因此，大部分FPGA供应商都会提供功耗估算工具。 Altera提供了全套的PowerPlay功耗分析工具，包括PowerPlay 早期功耗估算器表单，用于在设计早期阶段估算FPGA系统 的功耗，以及嵌入在Altera Quartus? II软件中的PowerPlay功耗 分析器工具，在设计完成后输出比较准确的功耗分析结果，

以确保不会打破散热和供电预算。

2  将FPGA功耗转换为电源转换器要求
理解FPGA每一电源轨最初的功耗要求只是设计合适的 电源树的第一步；考虑到具体的资源使用情况，还应该评估 其他的需求和考虑，才能进一步提高设计性能。

3 内核电源
FPGA上功耗最大的输入一般是内核电源轨，通常标记 为VCC。这是可以理解的，因为内核电源轨驱动逻辑，其使 用是任何FPGA设计的关键所在。由于FPGA所包含的逻辑量 达到了极高的水平，因此，功耗需求会不断增长。例如， Altera最新的第10代FPG A和SoC， Arr ia? 10和 Stratix ?   10系列，充分发挥其高密度特性以及相关的小工艺 尺寸优势， 器件的逻辑单元数量高达1百万(LE)以上。 虽然 每 一 逻 辑 单 元 的 功耗 要 低 于 前 一 代 ， 但 是 ， 资 源 利 用 率 很 高 的 高 频 设 计 的 内 核 电 流会超过100 A。
除 了 要 满 足 大 功 率 需 求 ， 内 核供 电 电源 还 必 须 满 足 严 格 的稳 态 和 瞬 变 电 源 轨 要 求 。 稳 态 要 求 是 指 ， 不
论 内 核 逻 辑 怎 样 工 作 ， 都 能 够 维 持 内 核 输入的稳态DC电压， 或 者 ， 简 言 之 ， 供 电 电 源 与 内 核 输 入 电 压 的 稳 压 精 度 有 多 高 。 正如表1所述，通常能 够在数据资料或者DC 工 作 特 性 中 找 到 某 一 FPGA的实际要求，预 期 的 V C C 电 压 值 被 表 示 为 容 限 —— 最 小 和 最大偏离。随着FPGA 技 术 向 更 小 工 艺 节 点 的 迈 进 ， 所 允 许 的 容限在减小，理解并考虑好内核电源轨供电也越来越重要。
内核电源轨的动态负载要求是由FPGA快速加载和释放 资源的能力决定的，这会导致当前的输入电源要求出现很大 而且很快的变化。例如，如果需要非常多的逻辑来实现一项 功能，将极大的改变内核输入的动态功耗。靠近每一FPGA 电源轨会有体电容，目的是在负载变化时提供瞬变电流；但 是，内核电源轨所使用的供电电源的瞬时响应也必须能够迅 速调整适应负载的变化，以确保电源轨电压保持在可接受的 范围内，体电容可以再充电。对于内核电源轨，实现体电容 和电源转换器快速瞬时响应的均衡尤其关键。
内核电源轨理想的电源转换器应能够同时实现较高的 调节精度、低波纹和快速瞬时响应。满足这些要求的一种方法是使用具有较高开关频率的开关转换器，这有很多优点。首先，较高的开关频率支持使用体积较小的小电感和电容，

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