简化Xilinx FPGA的电源系统设计

自 1985 年 Xilinx 开发出第一个商业上可行的 FPGA 以来，FPGA 细分市场的价值已经增长到数十亿美元。Xilinx 本身的年收入超过 30 亿美元，在汽车、5G、基础设施和数据中心市场占据强势地位。今天，它是 FPGA 领域最大的参与者，领先于英特尔（通过收购赛灵思最大的长期竞争对手 Altera）。

Xilinx FPGA 将性能和灵活性与低功耗相结合。其顶级器件之一 Virtex UltraScale+ 提供高端信号处理和 I/O 带宽，采用 14-nm/16-nm 工艺节点制造，使其成为业界功能最强大的 FPGA 系列。

为 FPGA 设计电源系统

对于设计工程师来说，FPGA 能够提供性能和灵活性当然是不够的——还必须易于使用它们进行设计，以便尽可能缩短上市时间。如果你的产品迟到了，那么它有多好通常并不重要。

通过与工程师的交谈，我们知道功率级设计分析是会降低 FPGA 工作速度的主要问题之一。许多设计工程师发现可用软件的功能可能存在差距以帮助他们，特别是不准确的负载模拟可能是一个问题。

对于成功的设计，您需要在流程的早期确定 FPGA 的电源规格，这甚至可能在 FPGA 内的逻辑设计完成之前。FPGA的灵活性意味着在设计周期后期做出的决定会显着影响电源要求。

因此，在这个早期阶段，您需要准确的最坏情况功耗分析，以便您可以适当地设计系统的电源部分。如果电源系统设计不足，则可能意味着 FPGA 的运行超出规范，可能会降低其性能甚至影响可靠性。相反，过度设计电源系统会给您的解决方案增加额外的尺寸、重量和复杂性——所有这些都会增加不必要的成本。

对于需要考虑多个不同电源轨的复杂 FPGA 而言，这些电源考虑因素并非微不足道。为了提供帮助，赛灵思提供了赛灵思功耗估算器 (XPE)，这是一款基于电子表格的免费工具，用于估算功耗。设计人员可以指定他们希望使用的 FPGA，以及其他参数，例如预期的环境温度和散热器供应。

XPE 提供了详细的功率和热分析，但仍然需要设计人员获得更多帮助。假设 XPE 提供的数据可以在电源设计工具中使用。在这种情况下，优化工具可以帮助选择正确的组件并运行“假设”场景以轻松查看不同的选项。

使用软件工具优化电源设计

Flex Power Designer (FPD) 就是此类软件工具的一个示例。这款免费工具提供完整电源系统设计的概览，内置用于复杂功率级分析、环路优化和热建模的仿真，并包括其他功能，例如实现轻松排序和相位扩展。除了推荐来自 Flex Power Modules 的最佳组件外，它还使设计人员能够包括来自其他供应商的电源设备，从而能够对整体电源解决方案进行建模。

为了优化基于 Xilinx FPGA 的设计，该软件的最新 4.0 版本现在支持导入从 Xilinx 的 XPE 工具导出的文件。最初，此功能支持 Virtex Ultrascale+ 器件，并且支持的系列列表会随着时间的推移而增长。

通过直接导入 XPE 文件，产品设计人员现在可以使用有关特定 Xilinx FPGA 要求的更准确和可靠的信息来仿真他们的电源系统。FPD 软件会自动检测潜在问题，例如瞬态电源要求，并建议合适的电源组件。

对于每个轨，您可以在 FPD 内优化您的设计，以实现最大系统效率或最小化功率和电流开销，这通常会导致成本最低的解决方案。在这两个极端之间拖动屏幕上的滑块很简单，FPD 会生成一个模拟，显示预测的效率、系统设计和所需的组件。中间母线电压可以设置为用户指定的参数，或者您可以让 FPD 推荐最佳值。

您还可以研究和模拟 FPD 中的许多其他选项，例如 PCB 电阻对电压降的影响。除了 XPE 支持，最新的 4.0 版本还包括一个新的系统优化功能，用于根据配置的负载查找产品和优化总线电压，以及对负载瞬态仿真的改进，并支持 Flex 的 PMU，一个 DC/DC 点-负载转换器。

总体而言，使用 FPD 等软件工具可使设计人员优化其电源设计以提高效率和成本。通过支持 XPE 文件，现在可以为包含 Xilinx FPGA 的设计获得最准确、最可靠的仿真。这可以节省时间，降低出错风险，最大限度地降低组件成本，并确保最终产品具有合适的电源系统——这意味着可以充分利用 FPGA 的性能和灵活性。

审核编辑：刘清