通過(guò)在FPGA設(shè)計(jì)流程引入功率分析改善PCB的可靠性

過(guò)去，FPGA設(shè)計(jì)人員考慮的是時(shí)序和面積使用率。但是，隨著FPGA正越來(lái)越多地取代ASSP和ASIC，設(shè)計(jì)人員期望開(kāi)發(fā)功率較低的設(shè)計(jì)并提供更加精確的功率估計(jì)。最新FPGA分析軟件能提供一種精確和靈活的手段來(lái)模擬各種工作環(huán)境下的功耗。

與功能和時(shí)序驗(yàn)證類似，功率分析以并行驗(yàn)證的形式對(duì)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行跟蹤(見(jiàn)圖1)。早期的功率分析依賴于簡(jiǎn)單的利用率和由設(shè)計(jì)者用“假設(shè)分析”方法提供的信號(hào)活性評(píng)估。后來(lái)，由于可以獲取布局后(post-layout)器件信息和門級(jí)仿真記錄的信號(hào)活性，功率估計(jì)變得更加精確了。

FPGA功率計(jì)算器可評(píng)估器件功耗，使設(shè)計(jì)者能夠?qū)氩季趾筒季€設(shè)計(jì)，并指定諸如電壓、溫度、工藝變化、氣流、散熱片及資源利用率、活性和頻率等參數(shù)。應(yīng)用這些參數(shù)可以在不同的設(shè)計(jì)環(huán)境下形成盡可能精確的模型。

圖1：功率估計(jì)并行于傳統(tǒng)的驗(yàn)證流程。

基本功耗計(jì)算

大多數(shù)FPGA功率分析工具可報(bào)告功耗的動(dòng)態(tài)(AC)和靜態(tài)(DC)部分。靜態(tài)電流由器件的漏電流組成。靜態(tài)電流/功率與器件的溫度、工藝、電壓參數(shù)和條件有關(guān)。它在很大程度上取決于溫度，溫度與電路板及器件的熱特性相關(guān)。靜態(tài)功耗也是所有電源上的漏電流。

功耗的動(dòng)態(tài)部分為所使用的資源在轉(zhuǎn)換時(shí)的功耗。動(dòng)態(tài)部分的功耗直接與工作頻率(資源在該頻率下工作)和使用的資源數(shù)量成正比。

DC功率由下面的方程得出：總DC功率(器件)= A×eBT

其中：A是與參數(shù)相關(guān)的工藝，B是溫度系數(shù)，T是器件的結(jié)溫。

AC功率由下面的方程得出：總AC功率(資源) = Kr×fMAX× AF×Nr

其中：Kr是針對(duì)資源的功率常數(shù)(單位為mW/MHz)。fMAX是正在使用的資源的最大頻率。頻率用MHz量度。AF是資源組的活性因子?；钚砸蜃邮乔袚Q頻率的百分比。Nr是設(shè)計(jì)中使用的資源數(shù)目。

FPGA布線互連是整體功耗的主要來(lái)源，功耗與金屬層的電容和轉(zhuǎn)換率成正比。

活性因子(AF%)被定義為頻率(或時(shí)間)的百分比，在該頻率下信號(hào)被激活或者轉(zhuǎn)換輸出。大多數(shù)與時(shí)鐘域相關(guān)的資源以某頻率的百分比運(yùn)行或轉(zhuǎn)換。功率分析工具的用戶可以手工將這些參數(shù)以百分比形式輸入，或者根據(jù)仿真結(jié)果導(dǎo)入活性因子?？舍槍?duì)每個(gè)布線資源、輸出或PFU計(jì)算出AF。如果未提供仿真結(jié)果，則對(duì)于一個(gè)占器件資源30%到70%的設(shè)計(jì)，通常建議AF%在15%到25%之間。AF(通常從仿真結(jié)果導(dǎo)入)的精確性取決于時(shí)鐘頻率，設(shè)計(jì)的激勵(lì)信號(hào)和最終輸出。