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简化Xilinx FPGA的电源系统设计

一汀烟雨666 来源:一汀烟雨666 作者:一汀烟雨666 2022-08-05 16:49 次阅读

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:汤梓红

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