FPGA系统设计中，其功耗怎样去估计的？

Posted 2023-05-08

怎样去估计ICCINT，是考虑静态电流还是动态的总电流，包括IO电流 PLL电流么？还是跟内部资源消耗、工作频率有关呢？

参考技术A 不知道你用的是哪家的产品，我们用的是Xilinx的；考虑FPGA功耗当然要考虑所有的功耗，包括VCCIO/VCCAUX/VCCINT；VCCIO*ICCIO是外围IO部分的功耗，输入/输出管脚越多、时钟频率越高，功耗也越大；VCCAUX则给内部的DCM等时钟电路和LVDS等差分信号供电，也要考虑进来；VCCINT是内部Fabric的供电，这也是整个FPGA功耗的最大的一部分，内部资源用的越多，功耗也就越大；我们曾经测试过，每例化一个DDS，系统电流就上升200~300mA；因此，FPGA的功耗应该是动态功耗与静态功耗之和，并考虑各路供电功耗之和；幸好厂商的软件提供了功耗估计的功能，当你的逻辑设计确定之后，可以通过厂商提供的软件来估计系统功耗。追问

在设计板子的时候，是不是应该按最大的功耗来提供电压和电流，那么这样跟具体设计还有关系么，一般一个片子要预留20%以上的空间，这个总功耗会有一个上限吧，超过这个值片子会烧坏，怎么估计给内核和IO供电的电流呢，比如一个开关电源芯片最大可提供10A，电流很大的话除了浪费有没有可能对片子不好呢，还是电流大小由片子本身来决定。

追答

那当然，设计的时候按照最大功耗来考虑；不过FPGA厂商和一些电源管理芯片厂商如TI/NS都会推出FPGA供电解决方案的，你可以照着方案做；举个例子，我曾经用过Virtex-4 SX55，就用三个TPS54610供电的，1.2V/2.5V/3.3V，每路最大6安培；

本回答被提问者采纳 参考技术B FPGA的功耗是动态功耗与静态功耗之和，并考虑各路供电功耗之和

功耗分析
　　整个FPGA设计的总功耗由三部分功耗组成：1. 芯片静态功耗;2. 设计静态功耗;3. 设计动态功耗。
　　● 芯片静态功耗：FPGA在上电后还未配置时，主要由晶体管的泄露电流所消耗的功耗。
　　● 设计静态功耗：当FPGA配置完成后，当设计还未启动时，需要维持I/O的静态电流，时钟管理和其它部分电路的静态功耗。
　　● 设计动态功耗：FPGA内设计正常启动后，设计的功耗;这部分功耗的多少主要取决于芯片所用电平，以及FPGA内部逻辑和布线资源的占用。
　　显而易见，前两部分的功耗取决于FPGA芯片及硬件设计本身，很难有较大的改善。可以优化是第3部分功耗：设计动态功耗，而且这部分功耗占总功耗的90%左右，因此所以降低设计动态功耗是降低整个系统功耗的关键因素。上面也提到过功耗较大会使FPGA发热量升高，那有没有一个定量的分析呢?答案当然是有，如下式：
　　Tjmax > θJA * PD + TA
　　其中Tjmax表示FPGA芯片的最高结温(maximum junction temperature);θJA表示FPGA与周围大气环境的结区热阻抗(Junction to ambient thermal resistance)，单位是°C/W;PD表示FPGA总功耗(power dissipation)，单位是W;TA表示周围环境温度。

XPower_Analyzer学习记录

XPower Analyzer 概述

利用功耗分析工具可以实现系列功能：对FPGA和CPLD进行功耗估计；报告连接点温度信息；报告功率信息；支持JEDEC系列开发板

设计要点和流程

• 精度指定：Preview数据（软件集成的数据信息，并基于仿真数据和原有操作模型进行功耗估计）、Advanced数据（产品的测试相关信息作为基础数据，进行功耗估计）、Preliminary数据（基于硅的完整数据信息，提供包括专用结构的功耗信息）、Production数据（特定芯片系列的各组成部件的功耗特征信息）
• 功率估计特征：查总功耗、查不同类型的总功耗、设置信息可存为设置文件、加载仿真数据（SAIF VCD）、查看文本报告、自动估算触发率、结温估计、分层次功耗估计
• 识别的文件：设计文件（NCD CXT）、物理约束文件（PCF）、设置文件（XML）、VCD文件（仿真数据）、SAIF文件（对VCD文件的压缩式内容，包含其大部分信息，提速软件）
• 理解触发率：表示某个网线或逻辑的开关速度，相对时钟频率从0-200%，100%指其翻转率是时钟频率的一半。触发率与时钟不一定同步，设置不同触发率有利于使用相同仿真数据进行不同频率条件的功耗估计。
• 工具快捷键

设计流程

• FPGA设计流程图

• CPLD设计流程

设计细节

• 可实时打开/加载设计文件、PCF、SAIF、VCD文件
• Tools > Reset to Original default settings
• File > Save Settings As保存设置
• 设置参数（修改触发率、设定逻辑值、设置电容负载、修改电压、设定airflow、设定Custom ThetaJA、设定环境温度Ambient Temperature）
• 基于数据分类查看、基于类型分类查看
• 设定允许的触发率（I/O Enable Rate and BRAM Enable Rate）
• 估算触发率（Tool > Estimate Toggle Rates）

 

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