FPGA是有史以来最复杂的集成 电路之一。他们采用最先进的晶体管技术和尖端的建筑结构，以实现令人难以置信的灵活性和最高的性能。随着时间的推移，随着技术的进步，这种复杂性决定了使用FPGA的系统设计和实现方面的某些妥协。这一点在 电源中最为明显，电源必须更精确，更灵活，更可控，更小，更高效，并且每次新一代FPGA都具有更多的故障感知能力。
在本文中，我们将特别介绍Altera Arria 10 FPGA的一些约束规范，以及它们对电源设计的意义。然后，我们讨论最佳电源传输解决方案，并制定计划以成功满足所有规范，并使用ADI公司的全套电源系统管理（PSM）IC使FPGA在最佳效率，速度和功率水平下运行，包括LTC3887，LTC2977和LTM4677。
FPGA功耗要求（解释数据手册）
工程师应该将大部分时间花在编程上，并且不想花时间和精力考虑设计合适的电源。实际上，最佳的供电方法是使用强大，灵活，经过验证的设计，满足要求并随项目扩展。这使得工程师能够完成设计具有背景比特币采矿机或类似技术的每秒太比特加密并行无线光学轨道互联网平台的重要工作。在这里，我们仔细研究一些重要的电源规格及其含义。
电压精度
核心电源电压是平衡FPGA功耗和性能的最重要关键之一。规范文档给出了一系列可接受的电压，但总范围并不完整。与所有事情一样，需要进行权衡和优化。
表1是来自流行的Altera Arria 10 FPGA 1的示例核心电压规范。虽然这些数字特定于Arria 10，但它们代表了其他FPGA内核电压要求。该范围在标称电压附近达到±3.3％的容差。FPGA将在此电压窗口内正常工作，但整个画面更复杂。
表1 Altera Arria 10核心电压规范
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请注意标有“SmartVID”的行，范围为0.82V至0.93V。这代表了当FPGA通过SmartVID接口请求其自身核心电压时可能出现的各种电压（稍后将详细介绍）。这个SmartVID规范表明了FPGA的基本事实：它可以在不同的电压下工作，具体取决于其特定的制造公差，以及它正在实施的特定逻辑设计。一个FPGA所需的静态电压可能与另一个FPGA不同。电源必须能够响应和适应。
目标是产生恰当的性能水平来操作编程功能而不会消耗不必要的功率。我们从半导体物理学以及Altera，Xilinx（图1）和其他公司发布的数据中了解到，随着内核V DD的增加，动态和静态功耗都会急剧增加，因此我们的目标是为FPGA提供足够的电压。满足其时间要求，但没有更多。功耗过大无助于提高性能。实际上，它会使事情变得更糟，因为晶体管泄漏电流随着温度的升高而增加，从而消耗更多不需要的功率 由于这些原因，当务之急是优化设计和工作点的电压。
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图1 Xilinx Virtex V电源与核心V CC
这种优化过程需要非常精确的电源才能获得成功。必须将调节器误差记录到误差预算中，并从可用于优化的可用电压范围中减去。如果核心电压低于要求，则FPGA可能由于定时错误而失败。如果核心电压漂移超过最大规格，则可能会损坏FPGA，或者可能会在逻辑中产生保持时间故障。必须通过考虑电源容差范围来防止所有这些情况，并且仅保证指令电压保持在规格限制内。
问题是大多数电源调节器都不够准确。调节电压可以在命令电压附近的公差范围内的任何地方，并且它可以随负载条件，温度和老化而漂移。保证±2％容差的电源可以在4％电压窗口内的任何地方进行调节。为了补偿电压可能2％过低的可能性，命令电压必须比满足时序所需的电压提高2％。如果调节器然后漂移到高于指令电压+ 2％，它将比该工作点所需的最小电压高4％。这仍然符合FPGA所需的指定电压，但却浪费了大量功率（图2）。
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图2电源稳压器容差权衡
解决方案是选择能够以更严格的电压容差运行的电源调节器。可以命令具有±0.5％容差的调节器在所需的工作频率下更接近所需的最小规格，并且保证在所需的电压下小于1％。FPGA将起作用，并将在该工作条件下耗散最小功率。
LTC388X系列电源控制器可在宽的可配置电压范围内保证稳定的输出电压容差优于±0.5％。LTC297X系列电源系统管理器保证调整后的稳压器容差优于±0.25％。凭借这些精度，有一条明确的途径可以优化任何FPGA的功耗与性能之间的权衡。
热管理
电源精度的微妙含义体现在热预算中。由于静态功耗远远不能忽略不计，因此FPGA即使在无效的情况下也会升温。温度升高会导致更多的静态功耗，从而进一步提高工作温度（图3）。向电源添加不必要的电压只会使这个问题变得更糟。正如我们所提到的，不准确的电源需要工作电压保护带，以确保有足够的电压来完成工作。由公差，系统组件可变性和工作温度的变化引起的电源电压不确定性可以产生明显高于所需最小值的电压。当施加到FPGA时，这种额外的电压可能导致热复杂，甚至在高处理负载下的热失控。
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图3电源电流与工作温度的关系
补救措施是一种非常精确的电源，可以产生恰当的电压，而且不会超过必要的电压，这正是ADI电源系统管理器件所做的。
SmartVID
Smart VID 2是Altera的名称，用于按照FPGA本身的要求，以最佳电压操作每个FPGA。FPGA内部有一个寄存器，它包含一个特定于器件的电压（出厂时已编程），可保证FPGA高效运行。FPGA内部的一个编译IP可以读取该寄存器，并通过外部总线向电源发出请求，以提供这个精确的电压（图4）。一旦达到电压，它在运行期间保持静止。
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图4 Altera SmartVID结构
SmartVID应用对电源的要求包括特定的总线协议，电压精度和速度。总线协议是FPGA用于将其所需电压传送到功率调节器的几种方法之一。在可用的方法中，PMBus是最灵活的，因为它解决了最广泛的电源管理IC。SmartVID IP使用两个PMBus命令：VOUT_MODE和VOUT_COMMAND，用于命令符合PMBus标准的电源调节器达到正确的电压。
稳压器的电压精度和速度要求包括自主启动电压（在PMBus有效之前），每10ms接受一个新电压指令的能力，在电压调整阶段每10ms采取10mV步进的能力，以及解决在10ms步进时间内，目标值在30mV（~3％）范围内，最终升至指令电压并在FPGA工作期间保持静止。
虽然Altera使用SmartVID这个名称，但是在整个行业中还有其他类似的技术可以完成同样的事情。其中最简单的方法是在工厂测试每块电路板，并在电源的非易失性存储器中编程一个精确的电压，以优化该特定电路板的性能。该技术不需要进一步干预电源以在正确的电压下操作。这是具有EEPROM的电源管理器或控制器的优点。
LTC388X系列电源控制器可满足Altera SmartVID的所有要求。此外，LTM4675 / LTM4676 / LTM4677μModule稳压器可轻松满足要求，并以单一紧凑的形式提供完整的解决方案。
时间关闭
任何逻辑块的计算速度取决于其电源电压。在限制范围内，更高的电压可提供更快的性能 我们已经看到为什么我们不能简单地在最高电压下工作，从而保证最佳速度。另一方面，我们必须在应用中以足够高的电压工作，如图5所示。
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图5 FPGA工作频率与V DD的权衡
图5的一个重要含义当特定设计不符合其逻辑时序要求并落入“失败”区域时，可以做什么。通常，在将设计提交给硬件之前没有很好地定义功能和故障之间的边缘，并且不能预先确定其将通过定时的特定电压。唯一的选择是提前提交到远高于最小值的电压，从而浪费功率来保证功能，或者设计一个能够在测试时适应硬件需求的灵活电源，甚至是在SmartVID的情况下，在加电时。适应未知需求的能力使ADI PSM器件的准确性更具价值，因为FPGA设计人员可以在实际设计和任何开发阶段权衡功耗。
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