FPGA 電路設計: 如何應對電源相關問題的挑戰(zhàn)

　　引言

　　在設計可編程門陣列(FPGA)電路時，必須極端重視電源問題，從而使最終產品能在所有可能的條件下無缺陷工作并處于最優(yōu)狀態(tài)。FPGA 電路電源有兩項需考慮的問題: FPGA 電路上電要求和電路功耗分析。這篇文章針對這兩方面的要求，討論您可能遇到的問題，以及解決方案。

　　目前FPGA電路設計所面臨的問題

　　FPGA電路通常需要多路電源輸入。為優(yōu)化開機時的電流拖曳，防止鎖死和永久性的電路損壞，同時也為了防止開機接通時的毛刺干擾和降低開機接通的功耗，這些電源輸入必須具有精確的上電序列以及正確的電壓變化率。如何實現(xiàn)復雜多路供電的精確控制是FPGA電路設計驗證過程中的難點。此外，隨著項目的發(fā)展，F(xiàn)PGA電路設計指標通常會發(fā)生變化，靈活簡單的上電參數(shù)調整方式也是工程師在進行前期電路設計時所需要的。

　　在產品設計過程中，還需要測試各種工作條件下的FPGA電路功耗，捕獲大電流尖峰的精確輪廓，并帶有時戳，以確定尖峰出現(xiàn)的時間，從而確定設計必須提供的最大電源功耗。可能還需要為電源資源有限的產品(如電池供電設備)進行進一步功耗優(yōu)化設計。

　　實例: 為 Xilinx Spartan-3 FPGA 設置上電規(guī)則并進行功耗分析

　　以Spartan-3系列FPGA為例，該FPGA電路需要四路供電，包括VCCINT(內核電源)，VCCAUX(輔助電源)，VCCO(I/O電源)和VINTF(接口電源)。其中VINTF用于為配置器件如NOR Flash PROM 或微控器供電的供電。為正確配置 FPGA，要在FPGA上電前 1毫秒開啟，這一上電間隔保證了配置器件已完成上電，并準備好向FPGA發(fā)送來自存儲器的配置。其他三路供電時序沒有嚴格要求，但如果VCCINT 在 VCCAUX 之前，或與其同時上電，F(xiàn)PGA將消耗過多的內核電流。這一過度的電流拖曳將更快降低電池壽命，并導致負責功率分配的設計人員選擇更大功率的調整器。

　　為驗證不同上電時序對FPGA電路消耗電流的影響，使用安捷倫 N6705A直流功耗分析儀按圖1所示與FPGA電路進行連接。

　　圖1 使用多路電源為FPGA電路供電時的連接和設置

　　首先按照 圖2 所示，為FPGA電路設置上電時序，VINTF 最早打開輸出，VCCINT 在VCCO 之前1毫秒打開供電：

　　圖2 N6705A上電序列設置屏

　　在此供電情況下，可以看到內核電源消耗的電流 ICCINT 在上電過程中產生一個明顯的脈沖尖峰，如圖3 所示：

　　圖3 內核電源VCCINT在上電過程中所消耗的電流波形ICCINT

　　按圖4 所示重新改變上電時序，使VCCINT上電輸出滯后于VCCAUX 1毫秒，此時可以看到ICCINT 電流波形中脈沖尖峰已經消失。

　　圖4 調整上電時序后，ICCINT 的電流波形

　　同樣，為實現(xiàn)VCCINT 和VCCO 的上電斜率要求，并驗證在規(guī)定的上電斜率范圍內FPGA電路的工作情況，可以使用N6705A按照 圖5 所示分別設置各路供電的上電斜率。

　　圖5 供電電路電壓斜率的設置

　　為保證成功上電，F(xiàn)PGA電路的電源電壓必須通過各自的電壓閾值范圍，并且不能有電壓跌落。圖6 顯示電源接通時具有正確上電序列和上升斜率的各路供電輸出。每一路電壓都平穩(wěn)上升，并且沒有跌落和其它不穩(wěn)定行為。這說明在當前的供電條件下，F(xiàn)PGA電路可以正常工作。

　　圖6 按照設定的上電序列和斜率進行供電的電壓波形

　　對FPGA電路的連續(xù)功耗分析，可以通過高速采集各路供電的電流值來完成。連續(xù)高速采集可以保證捕捉到的所有的電流脈沖細節(jié)，但數(shù)據量也會急劇增大。為保證采集速度同時減小數(shù)據量，可以通過設定采樣周期的辦法，在每個周期內，對高速采樣到的電流結果計算平均值和最大/最小值。整個過程必須保證連續(xù)采集，不會有電流數(shù)據丟失。同時還需要保留每個數(shù)據點所對應的時間信息，以便事后對大電流脈沖產生原因進行分析。這里同樣可以使用N6705A對多達四路供電進行長時間數(shù)據采集。其采樣結果如 圖7 所示:

　　圖7 N6705A對ICCINT、ICCAUX和ICCO電流連續(xù)采集30秒的結果

　　結論

　　在應對FPGA電路電源設計部分的相關問題時，供電驗證和耗電分析往往是工程師所面臨的最大挑戰(zhàn)。設計師需要在FPGA允許范圍內通過精調上電序列和變化斜率優(yōu)化開機功耗，并驗證消耗電流的變化。為能夠快速精確調整供電設置，并實時測量消耗電流值，使用帶有多路供電測量功能的高性能電源是最理想的選擇。安捷倫N6705A直流功耗分析儀可以幫助工程師解決FPGA電路設計驗證過程中所遇到的供電相關問題，幫助節(jié)省時間，人力和資金成本，快速達到設計目的。