Xilinx FPGA的電源設計詳解

本篇主要介紹Xilinx FPGA的電源設計，主要包括電源種類、電壓要求、功耗需求，上下電時序要求，常見的電源實現方案等。

1、電壓種類及要求

隨著FPGA的發展，其電壓類型越來越豐富，主要包括以下幾種類型：
Processor System電壓，主要給Zynq系列SoC中的ARM供電，包括VCC_PSINTFP、VCC_PSINTLP、VCC_PSAUX、VCC_PSINTFP_DDR、VCC_PSADC、VCC_PSPLL、VPS_MGTRAVCC、VPS_MGTRAVTT、VCCO_PSDDR、VCC_PSDDR_PLL、VCCO_PSIO、VCC_PSBATT等；

FPGA Logic電壓，主要給FPGA邏輯部分供電，包括VCCINT、VCCINT_IO、VCCBRAM、VCCAUX、VCCO、VCCAUX_IO、VBATT等；

GTx Transceiver電壓，主要給FPGA部分的GTx高速收發器供電，包括VCCINT_GT、VMGTAVCC、VMGTAVTT、VMGTVCCAUX、VMGTAVTTRCAL；

System Monitor電壓，主要給FPGA部分的ADC供電，包括VCCADC、VREFP；

High Bandwidth Memory電壓，包括VCC_HBM、VCC_IO_HBM、VCCAUX_HBM；

VCU電壓，只有Zynq UltraScale+ MPSoC系列帶圖像處理內核的器件才有，包括VCCINT_VCU；

RF電壓，只有Zynq UltraScale+ RFSoC系列才有，包括VADC_AVCC、VADC_AVCCAUX、VDAC_AVCC、VDAC_AVCCAUX、VDAC_AVTT、VCCINT_AMS、VCCSDFEC；

以上各種電壓的供電對象不同，對精度的要求也不一樣，針對不同架構的FPGA，其對電壓的精度要求也不一樣，其紋波范圍從2%到5%不等，但整體要求都比較高，而電流要求卻越來越大，比如VCCINT最大能到幾十安。同時各種電壓值不同，有的可以合并，有的卻不能合并，同時還需要時序上的控制。

針對Zynq UltraScale+ MPSoC（ZU+ MPSoC）、Zynq UltraScale+ RFSoC（ZU+ RFSoC）、Zynq 7000（Z7）、UltraScale +（US+包括VU+和KU+）、UltraScale（US包括VU和KU）、7系列等，對每一類型電壓及要求電壓值、精度羅列如下表：

2、功耗

FPGA的功耗包括所用邏輯單元數/BRAM數等內部資源、工作時鐘頻率、切換速率、布線和I/O功耗等。對于I/O功耗，影響因素包括輸出類型、工作時鐘頻率、以及輸出的信號翻轉數量以及輸出負載等。實際功耗取決于特定的系統設計。本部分內容主要針對FPGA logic部分的功耗，而對于Zynq系列，由于其操作系統不同、應用不同，無法進行詳細計算，但可以通過軟件進行粗略評估。

整個FPGA設計的總功耗由三部分功耗組成：芯片靜態功耗、設計靜態功耗、設計動態功耗。

芯片靜態功耗：FPGA在上電完成后還未配置時的功耗，主要是晶體管的泄露電流所消耗的功耗。

設計靜態功耗：當FPGA配置完成后，當設計還未啟動時，需要維持I/O的靜態電流，時鐘管理和其它部分電路的靜態功耗。

設計動態功耗：FPGA內設計正常啟動后，設計的功耗；這部分功耗的多少主要取決于芯片所用電平，以及FPGA內部邏輯和布線資源的占用情況等。

2.1、待機功耗（芯片靜態功耗）

由于漏電流的存在，器件在待機時也會消耗能量。待機功耗隨芯片DIE的大小、溫度以及工藝的變化而變化?？梢岳闷骷卣?a target="_blank">參數來模擬待機功耗，并定義為兩類：典型功耗和最大功耗。

2.2、IO功耗（設計靜態功耗）

I/O功耗是VCCO功耗，主要來自器件輸出引腳連接的外部負載電容、阻抗模式輸出驅動電路以及外部匹配網絡(如果有)的充放電電流。

如前所述，FPGA內部要實際消耗一部分VCCO功耗，外部匹配電阻網絡以及輸出電容負載消耗了另一部分能量。設計人員在規劃散熱方案時，應考慮VCCO的內部功耗。作為VCCO電源輸出功率的一部分，設計人員也應考慮外部功耗的組成。

2.3、動態功耗（設計動態功耗）

內部節點改變邏輯狀態時(例如，從邏輯0變到邏輯1)會形成器件內部動態功耗，因為它需要能量對邏輯陣列和互聯網絡的內部電容進行充放電。內核動態功耗包括邏輯單元功耗和導線功耗。LE功耗來自內部節點電容充放電以及內部電阻單元的電流損耗。導線功耗來自每個LE驅動外部導線電容時的充放電電流。內核動態功耗主要來自以下結構單元：

LUT

RAM模塊

DSP Slice

鎖相環(PLL)

時鐘樹網絡

GTx收發器

IP使用情況

IO使用情況

2.4、功耗設計

前兩部分的功耗取決于FPGA芯片及硬件設計本身，很難有較大的改善?？梢詢灮氖堑?部分功耗：設計動態功耗，這部分功耗占總功耗的90%以上，因此降低設計動態功耗是降低整個系統功耗的關鍵因素。
Tjmax>θJA*PD+TA

其中Tjmax表示FPGA芯片的最高結溫（maximum junction temperature）；θJA表示FPGA與周圍大氣環境的結區熱阻抗（Junction to ambient thermalresistance），單位是℃/W；PD表示FPGA總功耗（power dissipation），單位是W；TA表示周圍環境溫度。

以XC7K325T-2FFG900I系列芯片為例，θJA=9.7℃/W，在TA=55℃的環境中，想要結溫Tjmax不超過100°C的情況下，可以推算FPGA的總功耗為：

PD

因此實際功耗只要超過此值就需要進行優化處理，優化處理的方法主要有兩種：一是降低θJA：熱阻抗取決于芯片與環境的熱傳導效率，可通過加散熱片或者風扇減小熱阻抗；二是減小PD：通過優化FPGA設計，降低總功耗。下面就針對這兩部分進行介紹。

2.4.1、降低θJA

此部分詳見之前的文章《可靠性設計之降額設計》。

2.4.1、減小PD

2.4.1.1、功耗估計

Xilinx FPGA的功耗評估常見的有幾種方案：Xilinx自己的XPE（可以在xilinx官網上下載到：http://www.xilinx.com/power，它是一個基于excel的工具）、TI的WEBENCH（貌似只有FPGA部分，沒有ARM部分）、Vivado軟件、開發板實測評估等，這幾種方案都可以根據自己的外設進行定制，方便靈活。

在低功耗設計之前，需要先進行功耗評估。XPE主要是在項目初期，處于系統設計，RTL代碼并未完善階段功耗估計時使用。在設計完成綜合實現后，則可以使用vivado自帶的功耗分析工具進行精確計算功耗。打開綜合實現后的設計，點擊report power即可得到功耗分析的結果。

此部分可以參見之前的文章《Zynq UltraScale+系列之“電源”》。

2.4.1.2、功耗優化

關于FPGA低功耗設計，可從兩方面著手：一是算法優化；二是FPGA資源使用效率優化。

算法優化

算法優化可分為兩個層次說明：實現結構和實現方法。首先肯定需要設計一種最優化的算法實現結構，設計一種最優化的結構，使資源占用達到最少，當然功耗也能降到最低，但是還需要保證性能，使FPGA設計在面積和速度上都能兼顧。比如在選擇采用流水線結構還是狀態機結構時，流水線結構同一時間所有的狀態都在持續工作，而狀態機結構只有一個狀態是使能的，顯而易見流水線結構的功耗更多，但其數據吞吐率和系統性能更優，因此需要合理選其一，使系統能在面積和速度之間得到平衡。

另一個層面是具體的實現方法，設計中所有吸收功耗的信號當中，時鐘是罪魁禍首。雖然時鐘可能運行在100MHz，但從該時鐘派生出的信號卻通常運行在主時鐘頻率的較小分量（比如12%～15%）。此外，時鐘的扇出一般也比較高。這兩個因素顯示，為了降低功耗，應當認真研究時鐘。首先，如果設計的某個部分可以處于非活動狀態，則可以考慮禁止時鐘樹翻轉，而不是使用時鐘使能。時鐘使能將阻止寄存器不必要的翻轉，但時鐘樹仍然會翻轉，消耗功率。其次，隔離時鐘以使用最少數量的信號區。不使用的時鐘樹信號區不會翻轉，從而減輕該時鐘網絡的負載。

資源使用效率優化

資源使用效率優化是使用FPGA內部的一些資源（如BRAM，DSP slice）時，可以優化功耗的方法。FPGA動態功耗主要體現為存儲器、內部邏輯、時鐘、I/O等的功耗。

其中存儲器是功耗大戶，如xilinx FPGA中的存儲器單元Block RAM，因此主要介紹對BRAM的一些功耗優化方法。

下圖中雖然BRAM只使用了7%，但是其功耗0.614W占了總設計的42%，因此優化BRAM的功耗能有效地減小FPGA的動態功耗。

下面介紹一下優化BRAM功耗的方法：

使用“NO CHANGE”模式：在BRAM配置成True Dual Port時，需要選擇端口的操作模式：“Write First”，“Read First” or “NO CHANGE”，避免讀操作和寫操作產生沖突，如圖6所示；其中“NO CHANGE”表示BRAM不添加額外的邏輯防止讀寫沖突，因此能減少功耗，但是設計者需要保證程序運行時不會發生讀寫沖突。

設置成“NO CHANGE”后BRAM的功耗從0.614W降到了0.599W，因為只使用了7%的BRAM，如果設計中使用了大量的BRAM，效果能更加明顯。

控制“EN”信號：BRAM的端口中有clock enable信號，在端口設置中可以將其使能，模塊例化時將其與讀/寫信號連接在一起，如此優化可以使BRAM在沒有讀/寫操作時停止工作，節省不必要的功耗。

控制“EN”信號優化后BRAM功耗降到了0.589W。

拼深度：當設計中使用了大量的存儲器時，需要多塊BRAM拼接而成，如需要深度32K，寬度32-bit，32K*32Bit的存儲量，但是單塊BRAM如何配置是個問題。7 series FPGA中是36Kb 的BRAM，其中一般使用32Kb容量，因此可以配置成32K*1-bit或者1K*32-bit，多塊BRAM拼接時，下圖中前者是“拼寬度”，后者是“拼深度”。兩種結構在工作時，“拼寬度”結構所有的BRAM需要同時進行讀寫操作；而“拼深度”結構只需要其中一塊BRAM進行讀寫，因此在需要低功耗的情況下采用“拼深度”結構。但需要特別注意的是：“拼深度”結構需要額外的數據選擇邏輯，增加了邏輯層數，為了降低功耗即犧牲了面積又犧牲了性能。

3、上下電時序

3.1、上電時序

FPGA通常需要多路供電電壓，并且要求一定的上電/斷電順序。順序上電有助于限制上電期間的浪涌電流。如果忽視器件的供電順序要求，可能導致器件損壞或閂鎖，造成FPGA器件故障。有三種類型的上電時序：同步跟蹤、順序跟蹤和比率跟蹤。

針對各個系列的FPGA芯片，其內部各功能模塊的上電時序一般是相互獨立的，各個功能模塊內部是有先后順序的要求。詳細可參看各個器件的data sheet，其中會有詳細的先后順序約束。

3.2、上升單調性

啟動過程中，電源電壓保持單調爬升非常重要，只有這樣才能確保器件成功開啟。一般的FPGA給出了嚴格的電壓單調上升要求，即電源電壓應該連續上升至所設置的穩壓值，中間不應發生跌落。如果電源不能提供足夠的輸出功率，則會造成跌落。

3.3、上電時間

大多數FPGA規定了啟動電壓上升速率的最小值和最大值，電源通過在啟動過程中逐漸增大限流值實現軟啟動。軟啟動減緩了電源電壓的上升速率，也降低了注入FPGA的峰值浪涌電流。一般的電源可利用連接在引腳的軟啟動電容設置軟啟動時間。

3.4、掉電時序

斷電時序也是需要控制的，標準的時序是把上電時序倒過來。

3.5、特殊情況的時序控制

經常會有FPGA和ARM等其他CPU互連的情況，為了不損壞器件，此時FPGA和ARM的上電時序既要滿足自身的上電時序要求，也要滿足對方的上電時序要求，這種情況可以進行如下處理：

當FPGA和ARM各自使用自己的配置文件時：由于ARM處于復位狀態時IO為輸入狀態，而FPGA需要完成配置后才能確定其IO的狀態，因此ARM和FPGA可以各自進行各自的上電時序，當ARM的上電時序完成后處于復位狀態，這樣IO為輸入狀態，當FPGA上電完成后進行配置，配置完成后給ARM一個配置完成信號，此信號去釋放ARM的復位，設置對應的IO狀態，就不會出現IO沖突了，也不會影響FPGA啟動時序，也不會導致FPGA接口出現閂鎖效應。

當FPGA是使用ARM給配置文件時，不會出現IO沖突的情況，因為FPGA釋放復位，進行配置之前，IO是高阻態，FPGA沒有配置文件，不會去設置IO狀態。

4、電源方案
目前針對FPGA的常用電源解決方法包括使用單路LDO、單路DC/DC、單顆Power Module、PMIC等。

4.1、LDO
如果電路板空間有保證，低輸出噪聲很重要，或者系統要求對輸入和瞬態現象快速響應，就應該采用LDO。LDO提供了中低輸出電流。輸入電容通常會切斷輸入至LDO的阻抗和噪聲。LDO還要求在輸出端有一個電容器，以處理系統瞬態響應并提供穩定性。

4.2、SMPS
當設計效率非常關鍵且系統要求大輸出電流時，開關電源具有優勢。開關電源提供比LDO更高的效率，但其開關特性使其對噪聲更敏感。與LDO不同，開關電源需要使用電感器，而且可能需要變壓器進行DC-DC轉換，對PCB空間需求較大。

4.3、Power Module
Power Module可以省去自己搭建外圍電路，且廠家設計的模塊一般比自己設計的性能會更好（效率更高、紋波更?。?，但電源模塊一般是在電流需求比較大的情況下會選擇。

4.4、PMIC

由于FPGA的廣泛應用，目前針對FPGA的專用PMIC越來越多，從輸出電壓、通道數、輸出電流等方面都能很好的滿足特定FPGA芯片的需求，同時PCB占用面積、設計便捷性、價格等方面都比較有優勢。ZU+ MPSoC系列可參見之前的文章《Zynq UltraScale+系列之“電源”》，其他系列類似，詳細可以參見TI、Infineon、ADI（含凌特）等廠家官網，有相關FPGA系列芯片對應的解決方案。

以上就是針對Xilinx FPGA的電源介紹，主要包括了電源的種類、電壓要求、功耗分析、上下電時序、電源實現方式等。