通過在FPGA設計流程引入功率分析改善PCB的可靠性

過去，FPGA設計人員考慮的是時序和面積使用率。但是，隨著FPGA正越來越多地取代ASSP和ASIC，設計人員期望開發功率較低的設計并提供更加精確的功率估計。最新FPGA分析軟件能提供一種精確和靈活的手段來模擬各種工作環境下的功耗。

與功能和時序驗證類似，功率分析以并行驗證的形式對設計流程進行跟蹤(見圖1)。早期的功率分析依賴于簡單的利用率和由設計者用“假設分析”方法提供的信號活性評估。后來，由于可以獲取布局后(post-layout)器件信息和門級仿真記錄的信號活性，功率估計變得更加精確了。

FPGA功率計算器可評估器件功耗，使設計者能夠導入布局和布線設計，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。應用這些參數可以在不同的設計環境下形成盡可能精確的模型。

圖1：功率估計并行于傳統的驗證流程。

基本功耗計算

大多數FPGA功率分析工具可報告功耗的動態(AC)和靜態(DC)部分。靜態電流由器件的漏電流組成。靜態電流/功率與器件的溫度、工藝、電壓參數和條件有關。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。靜態功耗也是所有電源上的漏電流。

功耗的動態部分為所使用的資源在轉換時的功耗。動態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是與參數相關的工藝，B是溫度系數，T是器件的結溫。

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

其中：Kr是針對資源的功率常數(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。活性因子是切換頻率的百分比。Nr是設計中使用的資源數目。

FPGA布線互連是整體功耗的主要來源，功耗與金屬層的電容和轉換率成正比。

活性因子(AF%)被定義為頻率(或時間)的百分比，在該頻率下信號被激活或者轉換輸出。大多數與時鐘域相關的資源以某頻率的百分比運行或轉換。功率分析工具的用戶可以手工將這些參數以百分比形式輸入，或者根據仿真結果導入活性因子。可針對每個布線資源、輸出或PFU計算出AF。如果未提供仿真結果，則對于一個占器件資源30%到70%的設計，通常建議AF%在15%到25%之間。AF(通常從仿真結果導入)的精確性取決于時鐘頻率，設計的激勵信號和最終輸出。