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ADI读书月第九十二期:FPGA电源的“护理和喂养”

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发表于 2019-7-3 14:40:54 | 显示全部楼层 |阅读模式
简介

现代FPGA是有史以来最复杂的集成电路之一,它们采用最先进的晶体管技术和顶尖的架构,以实现令人难以置信的灵活性和最高的性能。随着时间的推移和技术的进步,这种复杂性决定了,在用FPGA设计和实现系统时,需要做出某些妥协。这一点在电源中最为明显,FPGA每次更新换代,电源都要提高精度、灵活性、可控性、效率和故障感知能力,还要减小体积。

在本文中,我们将专门讨论针对Altera® Arria 10 FPGA的部分约束性规格以及这些规格对电源设计的影响。然后,我们将讨论最佳供电解决方案,讨论如何运用ADI公司的整套电源系统管理(PSM)IC(包括LTC3887, LTC2977 和 LTM4677),成功地达到规格要求,使FPGA实现最佳的效率、速度和功率水平。

FPGA电源要求(解读数据手册)

工程师应该将大部分时间用于编程——他们不希望花费时间和精力去考虑如何设计合适的电源。实际上,最佳供电方案就是采用一种既能满足项目当前需求,又能达到项目升级发展需求的,强大、灵活且行之有效的设计方案。在此,我们将仔细考察一些重要的电源规格及其含义。

电压精度

内核电源电压是平衡FPGA功耗和性能的、最重要的关键要素之一。规格文档给出了一系列可接受的电压,但总的电压范围并不是问题的全部。与所有事物一样,需要进行权衡和优化。

表1是当下流行的Altera Arria 10 FPGA 1的内核电压规格示例。虽然这些数字是Arria 10特有的数据,但它们代表了其他FPGA内核电压要求。电压范围为标称电压另加±3.3%的容差。在此电压窗口内,FPGA会正常运行,但问题的全貌要复杂得多。

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注意标有"SmartVID"的行,其电压范围为0.82 V至0.93 V。这表示,当FPGA通过SmartVID 2接口(详见后文)请求自身的内核电压时,FPGA可以接受的各种电压。该SmartVID规格表明了有关FPGA的一个基本事实:FPGA可以在不同电压下运行,具体取决于其特定的制造容差以及采用的特定逻辑设计。FPGA的静态电压可能各不相同。电源必须具备响应和适应能力。

设计目标是产生恰好能满足编程功能需求的性能水平,不消耗不必要的功率。根据半导体的物理特性以及Altera、Xilinx®(图1)和其他公司公布的数据可知,动态和静态功率会随着内核V DD的增加而显著提高,因此我们的目标是确保,给FPGA提供的电压刚好达到其时序要求即可。功耗过大无助于提高性能。实际上,功耗过多会使情况变得更糟,因为晶体管泄漏电流随着温度的升高而增加,从而消耗更多不必要的功率。由于这些原因,当务之急是优化设计和工作点的电压。


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图1.Xilinx Virtex V功率与内核VCC。


这种优化过程需要非常精确的电源才能获得成功。必须将调节器误差纳入误差预算,并从可用于优化的可用电压范围中减去。如果内核电压降至要求电压以下,则FPGA可能因时序错误而发生故障。如果内核电压漂移至最大规格值以上,结果可能会损坏FPGA,或者可能会在逻辑中形成保持时间故障。为了防止所有这些情况,必须考虑电源容差范围,并且指令电压必须保持在规格限值以内。

问题是大多数电源调节器都不够准确。调节电压可能是指令电压容差范围内的任何电压,可能随负载条件、温度和老化而漂移。保证±2%容差的电源可以在4%的电压窗口内任意调节电压。为了补偿电压可能比下限值低2%的问题,必须将指令电压提高到比时序要求2%的水平。如果调节器然后漂移到比指令电压高2%的水平,它将在比该工作点所需的最小电压高4%的水平运行。这仍然符合FPGA的指定电压要求,但却浪费了大量功率(图2)。


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图2.电源调节器容差权衡。

解决办法是选择能支持更严格的电压容差的电源调节器。容差为±0.5%的调节器可以在要求工作频率下,在更接近最小规格要求的范围内工作,并且保证与所需电压的偏离幅度小于1%。这种情况下,FPGA会正常工作,并且其功耗将达到该工作条件下的最低水平。

LTC388x系列电源控制器可在较宽的可配置电压范围内,保证调节输出电压容差优于±0.5%。LTC297x系列电源系统管理器可保证调整后的电压调节器容差优于±0.25%。在这些精度条件下,对于FPGA,显然都能使其功耗与性能之间达到最佳平衡。

热管理

就电源精度而言,一个更微妙的意义体现在热预算当中。由于静态功耗远远没有达到可以忽略不计的程度,因此FPGA即使在无所事事的情况下也会升温。温度升高会导致更多的静态功耗,从而进一步提高工作温度(图3)。向电源添加不必要的电压只会使该问题变得更加糟糕。不准确的电源需要工作电压保护段,确保有足够的电压来完成此项工作。由容差、系统组件变化和工作温度的变化引起的电源电压不确定性可能产生明显高于所需最小值的电压。当施加到FPGA时,这种额外的电压可能导致热效应,甚至可能在高处理负载下导致热失控。


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图3.电源电流与工作温度的关系。

补救措施是选择一种非常精确的电源,该电源仅产生恰当且不超过必要的电压,这正是ADI电源系统管理(PSM)器件所擅长的。


了解更多请观看原文:FPGA电源的“护理和喂养”:成功的道与因

Q&A:
1、简述本文中FPGA的电源要求
2、简述FPGA系统电源轨中可用的设计选项
3、简述LTC2937电源监控器和序列器的特点

时间:7月3日——7月31日
奖励:将从答对问题的网友中抽取3位获得20元京东券(都回答对的取前三个网友)


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