簡化Xilinx FPGA的電源系統設計

自 1985 年 Xilinx 開發出第一個商業上可行的 FPGA 以來，FPGA 細分市場的價值已經增長到數十億美元。Xilinx 本身的年收入超過 30 億美元，在汽車、5G、基礎設施和數據中心市場占據強勢地位。今天，它是 FPGA 領域最大的參與者，領先于英特爾（通過收購賽靈思最大的長期競爭對手 Altera）。

Xilinx FPGA 將性能和靈活性與低功耗相結合。其頂級器件之一 Virtex UltraScale+ 提供高端信號處理和 I/O 帶寬，采用 14-nm/16-nm 工藝節點制造，使其成為業界功能最強大的 FPGA 系列。

為 FPGA 設計電源系統

對于設計工程師來說，FPGA 能夠提供性能和靈活性當然是不夠的——還必須易于使用它們進行設計，以便盡可能縮短上市時間。如果你的產品遲到了，那么它有多好通常并不重要。

通過與工程師的交談，我們知道功率級設計分析是會降低 FPGA 工作速度的主要問題之一。許多設計工程師發現可用軟件的功能可能存在差距以幫助他們，特別是不準確的負載模擬可能是一個問題。

對于成功的設計，您需要在流程的早期確定 FPGA 的電源規格，這甚至可能在 FPGA 內的邏輯設計完成之前。FPGA的靈活性意味著在設計周期后期做出的決定會顯著影響電源要求。

因此，在這個早期階段，您需要準確的最壞情況功耗分析，以便您可以適當地設計系統的電源部分。如果電源系統設計不足，則可能意味著 FPGA 的運行超出規范，可能會降低其性能甚至影響可靠性。相反，過度設計電源系統會給您的解決方案增加額外的尺寸、重量和復雜性——所有這些都會增加不必要的成本。

對于需要考慮多個不同電源軌的復雜 FPGA 而言，這些電源考慮因素并非微不足道。為了提供幫助，賽靈思提供了賽靈思功耗估算器 (XPE)，這是一款基于電子表格的免費工具，用于估算功耗。設計人員可以指定他們希望使用的 FPGA，以及其他參數，例如預期的環境溫度和散熱器供應。

XPE 提供了詳細的功率和熱分析，但仍然需要設計人員獲得更多幫助。假設 XPE 提供的數據可以在電源設計工具中使用。在這種情況下，優化工具可以幫助選擇正確的組件并運行“假設”場景以輕松查看不同的選項。

使用軟件工具優化電源設計

Flex Power Designer (FPD) 就是此類軟件工具的一個示例。這款免費工具提供完整電源系統設計的概覽，內置用于復雜功率級分析、環路優化和熱建模的仿真，并包括其他功能，例如實現輕松排序和相位擴展。除了推薦來自 Flex Power Modules 的最佳組件外，它還使設計人員能夠包括來自其他供應商的電源設備，從而能夠對整體電源解決方案進行建模。

為了優化基于 Xilinx FPGA 的設計，該軟件的最新 4.0 版本現在支持導入從 Xilinx 的 XPE 工具導出的文件。最初，此功能支持 Virtex Ultrascale+ 器件，并且支持的系列列表會隨著時間的推移而增長。

通過直接導入 XPE 文件，產品設計人員現在可以使用有關特定 Xilinx FPGA 要求的更準確和可靠的信息來仿真他們的電源系統。FPD 軟件會自動檢測潛在問題，例如瞬態電源要求，并建議合適的電源組件。

對于每個軌，您可以在 FPD 內優化您的設計，以實現最大系統效率或最小化功率和電流開銷，這通常會導致成本最低的解決方案。在這兩個極端之間拖動屏幕上的滑塊很簡單，FPD 會生成一個模擬，顯示預測的效率、系統設計和所需的組件。中間母線電壓可以設置為用戶指定的參數，或者您可以讓 FPD 推薦最佳值。

您還可以研究和模擬 FPD 中的許多其他選項，例如 PCB 電阻對電壓降的影響。除了 XPE 支持，最新的 4.0 版本還包括一個新的系統優化功能，用于根據配置的負載查找產品和優化總線電壓，以及對負載瞬態仿真的改進，并支持 Flex 的 PMU，一個 DC/DC 點-負載轉換器。

總體而言，使用 FPD 等軟件工具可使設計人員優化其電源設計以提高效率和成本。通過支持 XPE 文件，現在可以為包含 Xilinx FPGA 的設計獲得最準確、最可靠的仿真。這可以節省時間，降低出錯風險，最大限度地降低組件成本，并確保最終產品具有合適的電源系統——這意味著可以充分利用 FPGA 的性能和靈活性。

審核編輯：劉清