FPGA电源设计适合并行工程吗？

FPGA电流特征趋势正在推动复杂性的提高，因为FPGA中更高的密度和包含的外设/功能/IP模块的数量正在呈摩尔定律增长——每两代工艺节点相比，相同面积的硅片所容纳的模块数量基本要翻倍。虽然提供给FPGA的电压是固定的，但每个电压的工作电流不是固定的，会根据FPGA逻辑的实现方法变化而发生波动。

　　当内部逻辑门块或I/O单元在高利用率和低利用率之间转换时，电流波动异常剧烈。随着FPGA切换到更高的处理速率，消耗电流将增加，电压将趋于下降。一个好的电源设计要防止压降超过电压瞬时门限。同样，当FPGA切换到较低处理速率时，电流消耗将下降，电压将趋于提高，电源设计应防止其超过相应的门限。总之，可能会实质影响电源设计的大量不确定性源自FPGA设计师如何在FPGA上实现系统。

　　这类不确定性特别影响FPGA系统，部分原因是因为使用FPGA的关键特性之一是，设计师可以创建任何大小的处理资源和任意数量的冗余处理资源，以便与软件可编程处理器相比能用较短的时间和/或较低的功耗解决他们的问题。因此，虽然软件可编程处理器拥有可以同时操作的有限处理资源，但FPGA提供了创建专门的、最优的和定制的处理资源的机会，不过要求定制的电源设计。

　　供电

　　理解和管理FPGA设计师如何在设计周期早期在FPGA上实现高处理状态和低处理状态之间的转换，将显著影响电源设计师优化电源设计和满足系统功耗要求的可选方法。FPGA中的每个电源轨没有要求也没有必要采用独立的电源，因为这样会增加成本，占用太多宝贵的电路板空间。相反，电源设计师可以使用分布式电源网络，由降压稳压器将系统电源降下来，然后分配给各个负载点稳压器再提供每个电压轨。每个稳压器设计提供恒定的输出电压，只要确保输入电压和输出负载电流在设计范围内。

　　有两种基本类型的稳压器：线性型和开关型。与开关稳压器相比，线性稳压器更容易实现，可以提供更小噪声或更小电压纹波的更稳定输出，并且使用成本更低，占用的电路板面积更小。然而，它们的电源转换效率要比开关稳压器低很多，特别是当输入输出压差较大时。例如使用线性稳压器从5V产生1V，其转换效率只有20%，比开关稳压器的近85%转换效率低得多。

　　转换效率是指输出功率与输入功率之比，较低的效率意味着稳压器在消耗功率，而不是FPGA在消耗功率。因此对于具有大工作电流的FPGA应用来说，开关稳压器比线性稳压器更适合。一些高端FPGA系统的快速I/O节点电流可达80A.另外，由于浪费的功耗引起的温升将影响用于维持系统元件性能的散热器或空气对流所需的空间。一般来说，如果没有空气对流，每平方英寸铜耗散1W的功率将导致温度升高10℃。

　　虽然开关稳压器的功效比线性稳压器大得多，但它有噪声问题，即具有更大的电压纹波，因而给电源设计师增加了缩小容差门限的挑战。在电路板上正确放置开关稳压器件是尽量减小电气噪声的关键，而其体积稍大的元件又增加了这种挑战性。

　　因此，在设计过程中足够早地了解有关功耗预算方面的正确知识，有助于电源设计师合理安排正确的电路板位置和电路板空间，以便使用更高效的开关稳压器，或更好地使用较低效率的线性稳压器。

　　早期规划

　　大部分FPGA功耗取决于FPGA设计师在系统开关频率、输出负载、供电电压、互连数量、互连开关百分比以及逻辑与互连模块结构方面的实现选择。这些选择反过来又影响电源设计师的判断和在系统设计方面的权衡，进而可能影响最终系统性能。

　　幸运的是，FPGA电源设计师有多种工具和技术可以用来在设计过程早期分析电源问题。举例来说，大多数FPGA供应商提供的早期功耗预估器和功耗分析器可帮助设计师建立功耗预算。设计师可以使用基于软件的早期功耗预估器——基本上是美化过或文字形式的电子表格——在设计过程早期收集逻辑规模和工作速率的值与假设条件，然后估计系统各个部分将使用多少功耗(见图2)。

　　图2：在这个基于软件的早期功耗预估器中显示的工作表可以根据规划的FPGA用途为每个电源轨提供建议的元件(Altera提供)。