使用低功耗组件的高功率非电池供电系统如何有益

您是否曾经被问过您的应用程序是否应该在低功耗的组件上运行？是管理层还是半导体供应商？也许您认为“我的应用程序不是电池供电的”，或者您的应用程序中还有其他组件的功耗要高得多，因此“低功耗”与您不是很相关。

我邀请您从总拥有成本的角度再次考虑该主题。您很有可能以意想不到的方式从更低的功耗中受益。我们将介绍并讨论使用PolarFire场可编程门阵列（FPGA）或PolarFire® SoC等低功耗组件的高功率非电池供电系统如何有益，并可能降低风险并节省资金。

为什么功耗在所有系统中都很重要

在过去几年中出现了一个共同的话题：在小功率包络下对计算性能的需求。这种发展的一部分是FPGA从胶水逻辑转移到系统的中心。这些计算高效的硬件架构具有固有的灵活性，允许用户根据自己的要求定制硬件解决方案。

这种灵活性可以服务于广泛的应用，包括汽车（生产，而不仅仅是原型设计）、工业、医疗、网络、航空以及航空航天和国防等。一些示例应用包括电力驱动的电机控制、内燃机上非常精确同步的喷射控制、LiDAR 或 4D 雷达等智能传感器以及从手持式超声到大型磁共振断层扫描 （MRT） 或 X 射线的诊断医疗设备。

可用性能的上升是由摩尔定律推动的;然而，这也以数字电路中的更多能量直接转化为热量为代价。让我们回到“我的应用程序不是电池供电的，因此功耗不是很相关”的初始点，因为计算操作会提高组件的温度：

如果电子元件在给定的操作任务中具有更高的功耗，那么它也会产生更多的热量。因此，可能需要更多冷却。

您有哪些冷却选择？散热器、风扇，甚至水冷？

所有这些有什么共同点？它们是在设计和生产中需要额外努力的附加组件，并可能增加潜在故障的来源。例如，粉丝因失败而臭名昭著。通过选择高度关注低功耗和随后降低冷却需求的架构和设备，您可以潜在地降低系统成本和系统工作量。简化和减少的冷却系统可以减小设备的物理尺寸，降低材料成本，并允许您根据需要以更小的外形尺寸进行构建。通过简化冷却系统节省的系统成本可能非常可观。Microchip估计物料清单（BOM）成本节省高达1.50美元/瓦。

如果FPGA位于系统中单独的高功耗设备旁边，数十瓦甚至更多功率被转化为热量，并且无论如何都可能需要大型冷却系统，那么系统设计是否仍会受益于低功耗设备？当然，是的！

以给定的冷却系统为例，该系统专为其他组件产生的大量热量而设计。在这种情况下，FPGA通常只是作为侧面组件进行冷却。在本例中，FPGA保持在指定的温度范围内被视为“足够好”。但是，自发热较低的FPGA仍然可以在以下方面受益：

它在电路板上的位置可能更容易，因为不需要付出很大的努力来使其靠近冷却系统并在其温度范围内

通过在较低的温度下工作，还可以减少FPGA的老化。FPGA 的温度越低，其老化速度越慢，平均故障时间 （MTTF） 也随之增加。

MTTF和随之而来的FIT率（及时失效）真的有那么大的问题吗？

电子行业的一个常见经验法则是，降低 10°C 会使半导体器件的 FIT 速率减半。没什么大不了的，你说。让我们在这后面放一些数字。

Microchip在Microchip PolarFire SoC和基于SRAM的竞争性FPGA SoC上实现了相同的设计。在这两款器件上，使用供应商特定的功耗估算工具执行热扫描，其θ结环境温度相同，为8.2°C/W，所得器件结温记录如下：

在50°C的环境温度下，PolarFire SoC的结温为70°C。 基于SRAM的FPGA SoC最终温度为109°C，已经超出了工业温度等级，我们将暂时忽略。

接近40°C的温差对设备故障的可能性有什么影响？

使用Arrhenius生命周期高温（HTOL）［1］模型，假设两个器件的测试时间相等，可以显示这一点（为简单起见，我们绘制了FIT速率与结温的关系）：

PolarFire SoC的MTTF约为10 FIT。基于SRAM的SoC具有大约107 FIT，这是一个显着的差异。

这是什么意思？首先，1 FIT 是 10^9 小时内的一次失败，因此大约 114.000 年内一次失败。10 FIT 是 10^10 小时内的 9 次失败，因此 10 年内有 114.000 次失败。使用一台设备，您可能不会真正关心。但是，统计数据适用于此处;更多的现场设备将缩短时间，直到您可以预期看到故障。下表显示了在这种情况下，基于PolarFire SoC的10 FIT和其他基于SRAM的SoC的107 FIT，体积如何影响预期的故障数：

结果：降低组件温度，以降低现场故障次数。

说到现场故障：如果您正在构建涉及功能安全的设计，则故障率在您与指定机构（如 exida、TÜV 或 SGS-TÜV）的互动中更为重要。像FPGA一样，显示系统及其主要电子元件的较低FIT率可以简化安全认证过程。

对于那些想知道Microchip的FPGA功耗显着降低的信息是否属实的人：是的，确实如此。

Microchip在MPF300-EVAL-KIT上实现了多种设计，其中PolarFire MPF300T作为FPGA和另一家供应商的类似电路板。这些测试设计被加载到电路板上，时钟、逻辑、片上RAM和收发器在这两种情况下都以相同的方式进行。温度稳定后，使用热像仪同时读取电路板及其主要组件，如下图所示：

MPF300-EVAL-KIT（右）和其他供应商板（左）的并排比较清楚地显示了Microchip PolarFire FPGA的热优势。在大约30°C的室温下，PolarFire设备保持在45°C左右，没有任何散热器。另一个带有无源散热器的设备达到了 60°C。

结论

注意降低功耗，即使对于非电池供电的系统，也会对开发人员通常关心的“三巨头”产生重大影响。

1）降低风险：

通过选择Microchip FPGA或SoC，您可以通过移除风扇或复杂而昂贵的散热器来简化系统设计。这可以简化开发并降低项目中的风险。

2）省钱：

使用更简单的系统，您通常拥有更少的组件，因此，开发时间和测试时间更短。对于开发人员来说，这可以节省大量资金！由于现场设备更可靠，减少维修或客户退货也可以节省大量资金。

3）赚钱：

如果您正在处理给定的功率预算，您还可以扭转局面，将更多功能添加到您的系统中，作为“每瓦功能”。系统中的更多功能也可能意味着您的客户可能需要的更多功能，并可以为您带来更多收入。

总而言之，Microchip FPGA 和 SoC 是构建低功耗系统并满足项目“三大”需求的理想之选。而且，如图所示，低功耗远远超过电池寿命。

审核编辑：郭婷