作者：专注陈，来源：雷达系统工程师
更新原因
因整个FPGA的工程逐渐趋于完整，芯片的运行功耗相比本文初稿时又有了明显的增长，故更新最新的数据情况，以供后来者在硬件设计时参考之用，同时利用已调通的板载电源监控系统读取了各电源的电压、电流值。
唠嗑之言
最近在为专业组内设计的一款相控阵雷达数字接收机板卡做开发，又当了一回FPGA和嵌入式代码猿，但这回自己只设计方案，由团队的精干小伙来具体操刀原理图和PCB，不用自己画板子了。这次的板子有些新玩意，换了处理平台，开始用上了Xilinx家的Zynq UltraScale+ MPSOC，本次为一颗中高端型号XCZU9CG，所选封装型号在PL和PS资源上具有一定的伸缩性，拥有5个兼容型号，在资源需求较低的应用场景中可降一个型号等级，在更高需求场景中则可提升一个等级；这一点在实现硬件复用时是非常重要的，同样的板卡，根据不同的需求可选择不同的配置，当然也有土豪可能会直接用顶配通吃所有应用场景。
FPGA核心电源设计的重要性
众所周知，中高端FPGA的电源中有两大耗电大户，VCCINT核心电压，和MGT高速收发器，实际工作电流取决于资源使用率、时钟频率、逻辑翻转率等。因此若用到高速率DDR4且频繁读写，该部分逻辑功耗必然不低；
类似Zynq UltraScale+ MPSOC这类芯片，PL和PS的核心均为0.85V，官方推荐的PL域可靠范围是850±25mV，25mV虽然不算小，但是当电流达到10A级别时，一般的电源设计就很难再满足这个需求，例如10A电流时从电源芯片到FPGA电源管脚之间1毫欧的电阻就将带来10mV的压降，即使是铺铜的电源平面，通常也不止1毫欧的电阻；举个更极端的例子，如X86的i7、i9 CPU，英伟达的3060、3070、3080 GPU，TDP功耗都超过100W，其核心电压也很低，电流可达近100A级别，线路损耗的影响将更加明显。为此，这类应用的电源都带有Remote Sense电压补偿功能，其通过一对差分线获取靠近负载端的电压，并稳定该点的电压为设置值，而不是像普通电源芯片稳的是电源的输出点。下图为ADI的LTM4630A的原理框图，其详细画出了Remote Sense电压补偿功能的机理，本质上是变换了闭环控制环路的反馈取样点（负载芯片）
实际案例
本案列中FPGA实现一个64路数字接收机系统，即一共包含128路IQ通道，因频段间隔较小，对滤波器要求较高，因此DSP资源占用率很高（71%），时钟120MHz；此处还不包括PL的DDR、ADC接口逻辑、和高速光口通信的接口，PS（双核A53）也仅仅跑了一个裸机用于配置时钟芯片等外设；具体资源使用情况如下图：
案列中PS和PL核心电压共用同一电源（规格0.85V@36A）；在此条件下测量电源芯片的输出，达到了0.95V，而FPGA芯片背面的电容上电压为0.85V，两者相差100mV；这100mV正是线路损耗引起的，经测量，实际电流为12.5A（包含PL+PS的核心电压）；此处如果没有Remote Sense的电压补偿功能，则到达MPSOC的电压将降到0.75V而导致系统无法正常工作。待PL+PS的设计完成，核心电流还会升高，压降也将更大；注意：虽然该板因有Remote Sense功能目前是正常工作的，但是100mV的压降同时导致了额外的功耗和热耗（100mV*12.5A=1.25W），该1.25W的功耗全在供电线路上转换成了热量；因此核心电压电源设计和Layout需要特别关注该点，虽然压降不可避免，但可以通过设计使其控制在合理的范围内，而如何评估这个压降则需要用到电源完整性仿真（PI），可在PCB设计Layout后仿真计算出压降值；可见另一篇文章ADS仿真-电源完整性仿真PIPro（PI-DC）
温度对电流的影响
温度主要影响FPGA内部晶体管的漏电流，手册中体现为静态电流（无bit的空白状态时），下图为某国产型号的温度、静态电流数据，可以看到25摄氏度和125摄氏度时相差20倍。
更新内容
下图为板载电源监控模块监测的电压电流信息，其中VCCINT 0.85V的电流达到了11.3A。
