电子产品世界

　　按照摩尔定律，FPGA电流特性的发展趋势也是越来越复杂，FPGA的密度越来越高，外设/功能/IP模块的数量越来越多——随着每一技术节点的发展，同样的硅片中，模块数量加倍。虽然FPGA的供电电压是恒定的，但是，这些电压的工作电流却不是，随FPGA逻辑的实现方式而波动。

　　当内部逻辑门或者I/O单元在高电平和低电平之间转换时，电流会有很大的波动。当FPGA转换到高处理速率时，吸收的电流会增大，电压随之下降。一个良好的电源设计会防止电压过度下降，不会超出电压瞬变阈值。相似的，当FPGA转换到低处理速率时，吸收的电流会下降，电压会上升，电源设计会防止它超过阈值。简言之，FPGA设计人员以怎样的方式在FPGA上实现系统带来了很多不确定性，会在很大程度上影响电源设计。

　　这类不确定性会特别影响FPGA系统，部分原因是，使用FPGA的一个关键特性是设计人员能够建立大小任意的处理资源，以及任意数量的冗余处理资源，与软件编程处理器相比，以更少的时间，更少的功耗解决他们的问题。因此，虽然软件编程处理器有很多能够同时工作的处理资源，而FPGA提供了机会来建立特殊的、优化的定制处理资源，所以需要定制电源设计。

　　供电电源

　　在设计一开始时，理解并管理FPGA设计人员怎样实现高处理状态和低处理状态之间的转换会明显影响电源设计人员优化电源设计，满足系统电源要求。这不是要求，FPGA中的每一电源轨也不是必须要有自己的供电电源，因为这会增加成本，过多的占用宝贵的电路板空间。相反，电源设计人员可以使用分布式电源网络，体调节器对系统电压进行降压处理，将其分配给每一个负载点的调节器，然后，对每一电源轨供电。设计的每一个调节器能够在输入电压和输出负载电流变化时提供恒定的输出电压(在设计范围内)。

　　有两种基本类型的调节器：线性和开关调节器。线性调节器很容易实现，输出比较干净，输出的噪声和电压波纹很小，使用成本也较低，需要的电路板空间比开关稳压器少。但是，其功率转换效率比开关调节器低很多，特别是电压差(输出相对于输入)变化时。例如，使用线性调节器从5V电源产生1V输出，转换效率为20%，比开关调节器85%的转换效率差很多。

　　转换效率是输出功率与输入功率之比，较低的效率意味着调节器占用了很大的功率，而不是FPGA;因此，线性调节器不如开关调节器那样适合大电流工作的FPGA应用——高端FPGA系统中的某些快速I/O节点会达到80A.此外，浪费的功耗导致温度上升，影响热沉或者气流散热所需要的空间，难以维持系统元器件的性能不变。作为一般规则，一平方英寸铜电路板每消耗1W功耗，没有气流散热时，温度会上升10oC.

　　开关调节器功效要比线性调节器高很多，但是有噪声代价，即，较大的电压波纹——电源设计人员需要面对较低的容限阈值这一越来越复杂的难题。对电路板上的开关调节器组件进行合适的布局是降低电噪声的关键，这也稍微增加了设计难度。

　　因此，在设计早期阶段就知道功率预算对于电源设计人员布放电路板，需要多少电路板空间来高效的使用开关调节器非常重要，否则会勉强使用低效的线性调节器。

　　早期规划

　　大部分FPGA功耗都与FPGA设计人员的实现选择有关，这会影响系统的开关频率、输出负载、供电电压、互联数量、互联开关百分比，以及逻辑和互联模块的结构。这些选择反过来也会影响电源设计人员的选择以及系统设计的综合考虑，影响最终系统性能。

　　好在FPGA电源设计人员有各种工具和方法，在设计早期阶段分析功耗。例如，大部分FPGA供应商提供早期功耗估算器和功耗分析器，帮助设计人员建立功耗预算。设计人员可以使用基于软件的早期功耗估算器——基本上是表格的形式，在设计早期阶段汇集逻辑容量和工作速率的数据和假设，以便估算系统会在哪里，用掉多少功率(参见图2)。

　　图2.这一基于软件的早期功耗估算器所显示的工作表在所规划的FPGA使用情况基础上，为每一电源轨建议了组件(图像得到了Altera的授权)。

关键词： FPGA 电源系统