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

轉(zhuǎn)換速率(MHz) = 1/2×fMAX×AF%

其它環(huán)境因素，如電路板的面積、散熱片和氣流都是計(jì)算動(dòng)態(tài)和靜態(tài)功耗時(shí)的要素。

管理功耗

現(xiàn)今最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要素之一是必須降低系統(tǒng)的功耗，特別是對(duì)于手持設(shè)備和電子產(chǎn)品而言。用戶(hù)可以利用一些FPGA設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)有效地降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，包括：
1. 降低工作電壓。
2. 在指定的封裝溫度限制范圍內(nèi)運(yùn)作。
3. 使用優(yōu)化的時(shí)鐘頻率，因?yàn)閯?dòng)態(tài)功率直接與工作頻率成正比。設(shè)計(jì)者必須明確，如果設(shè)計(jì)的某部分可以以較低速率時(shí)鐘控制，那將會(huì)降低功耗。
4. 減小設(shè)計(jì)在器件中的跨度，緊密放置的設(shè)計(jì)可使用較少的布線(xiàn)資源以降低功耗。
5. 可能的話(huà)，減小I/O的電壓擺幅。
6. 可能的話(huà)，使用優(yōu)化的編碼。例如16位的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器平均只有12%的活性因子，7位的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器平均有28%的活性因子。另一方面，7位線(xiàn)性反饋移位寄存器的可以以50%活性因子轉(zhuǎn)換，這會(huì)導(dǎo)致較大的功耗。每個(gè)時(shí)鐘沿僅有一位改變的格雷碼計(jì)數(shù)器所消耗的功率最少，同時(shí)活性因子將低于10%。
7. 利用以下方法盡可能減小工作溫度：使用散熱性能較好的封裝，例如具有較低熱阻抗的封裝；在PCB上的器件周?chē)胖蒙崞蜕釋?；采用更好的氣流技術(shù)，如機(jī)械氣流導(dǎo)管和風(fēng)扇(系統(tǒng)風(fēng)扇和器件風(fēng)扇)。

典型的功率分析方案

可以在FPGA設(shè)計(jì)流程的任何階段用FPGA功率分析工具估算功耗。例如，可以在實(shí)際設(shè)計(jì)完成之前、或在布局布線(xiàn)后導(dǎo)入最終設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，用這個(gè)工具來(lái)估算功耗。當(dāng)與映射后、布局后或者布線(xiàn)后的結(jié)果一起提供時(shí)，功率分析工具的精度得到提升。結(jié)合了功率分析的FPGA設(shè)計(jì)流程通?？商峁┲匾氖录候?qū)動(dòng)估計(jì)、后布局布線(xiàn)，以及后仿真。圖2顯示了該流程以及在功率的FPGA設(shè)計(jì)流程中的典型重要事件。
1.驅(qū)動(dòng)估計(jì)：采用的資源和轉(zhuǎn)換頻率由手工輸入。
2.Post-PAR：針對(duì)更加精確的模型導(dǎo)入后布局和布線(xiàn)資源。
3.后仿真：針對(duì)更加精確的活性因子和轉(zhuǎn)換速率模型，導(dǎo)入由HDL仿真器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換頻率。

圖2：面向FPGA功率分析的設(shè)計(jì)流程。

為適應(yīng)提供給分析工具的不同模型數(shù)量，功率估計(jì)工具的運(yùn)作可能是形式上的。在“驅(qū)動(dòng)預(yù)計(jì)”模式下，分析引擎根據(jù)器件資源或者由用戶(hù)提供的模板計(jì)算功耗。在對(duì)器件評(píng)估和進(jìn)行“假設(shè)分析”時(shí)，這種模式最初是非常有用的。在該模式下，設(shè)計(jì)者提供頻率、活性因子、電壓參數(shù)和器件利用率。還需要提供工作條件，例如環(huán)境溫度。利用先進(jìn)的功率工具，設(shè)計(jì)者還可以選擇諸如電路板尺寸、散熱片和氣流等。