可能有些讀者會質疑本文的標題， 乍一看，說“FPGA的護理和喂養(yǎng)(care and feeding)”似乎完全不合適。然而，對于這種反對意見的答案很簡單：英語是一個有趣的語言。雖然人們對于“care and feeding”這一說法何時開始流行莫衷一是，但人們都知道，這個說法起源于簡單的農業(yè)時代，目前已經被人們普遍使用（濫用），指任何脆弱或不穩(wěn)定的東西。在本文中，這一說法可謂一針見血。雖然對于FPGA是否需要“喂養(yǎng)”， 人們充滿爭議，但我們可以肯定的是，F(xiàn)PGA的確需要“護理”！

 

FPGA電源要求（解讀數據手冊）

 

工程師應該將大部分時間用于編程——他們不希望花費時間和精 力去考慮如何設計合適的電源。實際上，最佳供電方案就是采用 一種既能滿足項目當前需求，又能達到項目升級發(fā)展需求的，強 大、靈活且行之有效的設計方案。在此，我們將仔細考察一些重 要的電源規(guī)格及其含義。

 

電壓精度

 

內核電源電壓是平衡 FPGA 功耗和性能的、最重要的關鍵要素之一。規(guī)格文檔給出了一系列可接受的電壓，但總的電壓范圍并不 是問題的全部。與所有事物一樣，需要進行權衡和優(yōu)化。 

 

表1是當下流行的 Altera Arria 10 FPGA 的內核電壓規(guī)格示例。雖然這些數字是Arria 10特有的數據，但它們代表了其他 FPGA 內核電壓要求。電壓范圍為標稱電壓另加±3.3％的容差。在此電壓窗口 內，F(xiàn)PGA會正常運行，但問題的全貌要復雜得多。

 

表1. Altera Arria 10內核電壓規(guī)格

 

注意標有“SmartVID”的行，其電壓范圍為 0.82 V 至 0.93 V。這表示，當 FPGA 通過 SmartVID2 接口（詳見后文）請求自身的內核電壓 時，F(xiàn)PGA 可以接受的各種電壓。該 SmartVID 規(guī)格表明了有關 FPGA 的一個基本事實：FPGA 可以在不同電壓下運行，具體取決于其特 定的制造容差以及采用的特定邏輯設計。FPGA的靜態(tài)電壓可能各不相同。電源必須具備響應和適應能力。

 

設計目標是產生恰好能滿足編程功能需求的性能水平，不消耗不必要的功率。根據半導體的物理特性以及 Altera、Xilinx®（圖1）和 其他公司公布的數據可知，動態(tài)和靜態(tài)功率會隨著內核 VDD 的增加而顯著提高，因此我們的目標是確保，給 FPGA 提供的電壓剛好達到其時序要求即可。功耗過大無助于提高性能。實際上，功耗過多會使情況變得更糟，因為晶體管泄漏電流隨著溫度的升高而增加，從而消耗更多不必要的功率。由于這些原因，當務之急是優(yōu) 化設計和工作點的電壓。

 

圖1. Xilinx Virtex V功率與內核VCC。

 

這種優(yōu)化過程需要非常精確的電源才能獲得成功。必須將調節(jié)器 誤差納入誤差預算，并從可用于優(yōu)化的可用電壓范圍中減去。如 果內核電壓降至要求電壓以下，則FPGA可能因時序錯誤而發(fā)生 故障。如果內核電壓漂移至最大規(guī)格值以上，結果可能會損壞 FPGA，或者可能會在邏輯中形成保持時間故障。為了防止所有 這些情況，必須考慮電源容差范圍，并且指令電壓必須保持在 規(guī)格限值以內。

 

問題是大多數電源調節(jié)器都不夠準確。調節(jié)電壓可能是指令電壓 容差范圍內的任何電壓，可能隨負載條件、溫度和老化而漂移。 保證 ±2％ 容差的電源可以在 4％ 的電壓窗口內任意調節(jié)電壓。為 了補償電壓可能比下限值低2％ 的問題，必須將指令電壓提高到 比時序要求 2％的水平。如果調節(jié)器然后漂移到比指令電壓高 2％ 的水平，它將在比該工作點所需的最小電壓高 4％ 的水平運行。這仍然符合FPGA的指定電壓要求，但卻浪費了大量功率（圖2）。

 

圖2. 電源調節(jié)器容差權衡。

 

解決辦法是選擇能支持更嚴格的電壓容差的電源調節(jié)器。容差 為±0.5％的調節(jié)器可以在要求工作頻率下，在更接近最小規(guī)格要 求的范圍內工作，并且保證與所需電壓的偏離幅度小于1％。這 種情況下，F(xiàn)PGA會正常工作，并且其功耗將達到該工作條件下 的最低水平。

 

LTC388x 系列電源控制器可在較寬的可配置電壓范圍內，保證調 節(jié)輸出電壓容差優(yōu)于±0.5％。LTC297x 系列電源系統(tǒng)管理器可保證 調整后的電壓調節(jié)器容差優(yōu)于±0.25％。在這些精度條件下，對于FPGA，顯然都能使其功耗與性能之間達到最佳平衡。

 

熱管理 

 

就電源精度而言，一個更微妙的意義體現(xiàn)在熱預算當中。由于靜 態(tài)功耗遠遠沒有達到可以忽略不計的程度，因此FPGA即使在無所 事事的情況下也會升溫。溫度升高會導致更多的靜態(tài)功耗，從而 進一步提高工作溫度（圖3）。向電源添加不必要的電壓只會使該 問題變得更加糟糕。不準確的電源需要工作電壓保護段，確保有 足夠的電壓來完成此項工作。由容差、系統(tǒng)組件變化和工作溫度 的變化引起的電源電壓不確定性可能產生明顯高于所需最小值的 電壓。當施加到FPGA時，這種額外的電壓可能導致熱效應，甚至 可能在高處理負載下導致熱失控。

 

圖3. 電源電流與工作溫度的關系。

 

補救措施是選擇一種非常精確的電源，該電源僅產生恰當且不超過必要的電壓，這正是 ADI 電源系統(tǒng)管理 (PSM) 器件所擅長的。

 

SmartVID   

 

SmartVID 是 Altera 公司出品的一種技術，該技術用于按照FPGA本身 的要求，為每個 FPGA 提供最佳電壓。FPGA 內部有一個寄存器，其 中包含一個因器件而異的電壓（已在出廠中編程），可保證 FPGA 高效運行。FPGA 內部編譯的一項IP功能可以讀取該寄存器，并通過 外部總線向電源發(fā)出請求，要求提供這個精確的電壓（圖4）。一 旦達到電壓要求，它就會在運行期間保持靜止。

 

圖4. Altera SmartVID結構。

 

SmartVID 應用對電源的要求包括特定的總線協(xié)議、電壓精度和速 度?？偩€協(xié)議是 FPGA 用于將其所需電壓傳送到功率調節(jié)器的幾 種方法之一。在可用的方法中，PMBus 最為靈活，因為它可以 滿足最廣泛的電源管理IC的需求。SmartVID IP 使用兩個 PMBu s指令：VOUT_MODE 和VOUT_COMMAND，用于命令符合 PMBus 標準的功率調節(jié)器達到正確的電壓。 

 

調節(jié)器的電壓精度和速度要求包括自主引導電壓（在PMBus激活之 前），能每10毫秒接受一個新電壓指令，在電壓調整階段每 10 毫秒能步進 10 mV，并且能在10毫秒的步進時間內穩(wěn)定在目標電壓30 mV (~3%)范圍內，最終升至指令電壓并在FPGA工作期間保持靜止。

 

雖然 Altera 使用的是 SmartVID 技術，但業(yè)界使用的其他類似技術也 可以完成相同的任務。一種最簡單的方法是在工廠測試每塊電路板，并在電源的非易失性存儲器中編程一個精確的電壓，優(yōu)化該 特定電路板的性能。使用該技術時，不需要進一步干預，電源就能在正確的電壓下工作。這是搭載EEPROM 的電源管理器或控制 器的優(yōu)點之一。

 

LTC388x 系列電源控制器可滿足 Altera SmartVID 的所有要求。此外，LTM4675/LTM4676/LTM4677 µModule 調節(jié)器可以輕松滿足這些 要求，而且通過單一緊湊的形式提供了完整的解決方案。

 

時序收斂  

 

任何邏輯模塊的計算速度均取決于其電源電壓。在限值范圍內， 電壓越高，性能越快。我們已經看到，為什么不能采用簡單的辦 法，即在最高電壓下運行，保證獲得最佳速度。另一方面，我們必須使工作電壓足夠高，能滿足應用需求，如圖5所示。

 

圖5. FPGA工作頻率與VDD之間的平衡關系。

 

圖5的一個重要啟示是，當特定設計達不到其邏輯時序要求并處 于故障區(qū)域時可以采取哪些措施。通常，在將設計轉化成硬件 之前，很難準確定義正常工作與故障之間的界限，也無法預先 確定它將在哪個特定電壓下超過時序要求。唯一的選擇是提前確 定一個遠高于最小值的電壓，以浪費功率為代價來保證功能；或 者設計一種靈活的電源，以在測試時適應硬件需求，甚至在采用 SmartVID 技術的情況下，能在加電時適應硬件需求。適應未知需 求的能力使得 ADI PSM 器件的精度更具價值，因為 FPGA 設計師可以在實際設計階段和任何開發(fā)階段在功耗與性能之間進行權衡。

 

 

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