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Forum: FPGA, VHDL & Co. Verlustleistung bestimmen


Autor: Da Micha (damicha)
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Hallo.

Ich möchte die Verlustleistung eines Spartan-3E (XC3S500E) bestimmen. 
Das muss nicht auf das Milliwatt genau sein, aber ich sollte schon den 
ermittelten Wert begründen können. Ich habe in diesem Bereich bisher 
leider noch keine Erfahrungen sammeln können.
Erstmal habe ich mir mal das Datenblatt (ds321.pdf) geschnappt und unter 
DC Electrical Characteristics nachgeschaut.
Meine I/O Spannung ist 3.3V (10uA*3.3V*70).
Für Inputpins ist dort(Tabelle 77) ein Verluststrom von 10uA pro Pin 
angegeben. Ich habe 70 Input pins, also sind das ca. 2.3mW 
Verlustleistung.

Bei den Outputpins bin ich da schon ins stolpern gekommen. Tabelle 80 
zeigt für die einzelnen IO Standards den Stromverbrauch an. So ganz 
sicher bin ich mir dabei aber nicht. Mir ist dabei vor allen Dingen die 
Bedeutung der Zahlenreihen 2 bis 16 nicht klar. Habe jetzt erstmal 
2mA*3.3V*10(Anzahl der Outputs) gerechnet, also 66mW.

Weitere Ruheströme für die einzelnen Spannungen ergibt die Tabelle 78. 
Bei dem XC3S500E sind angegeben:
core:20mA*1.2Vm,
IOBANK:0.8mA*3.3V,
auxiliary:18mA*2.5V.
Das ergibt zusammen ca. 45mW.
Bei dem 2.Strom bin ich mir aber nicht sicher, ob sich der Wert auf alle 
IOs bezieht oder auf eine IO Bank. (Mir war so, als ob man die IOBänke 
mit unterschiedlichen Spannungen fahren konnte)

Insgesamt ergeben sich also ca. 114mW beim nichts tun.

Bei der dynamischen Verlustleistung hänge ich total in der Luft. Ich 
rechne damit, dar FPGA mit 20MHz getaktet wird und sich die Hälfte der 
Flipflops mit diesem Takt ändern können und die andere Hälfte zwar 
benutzt wird, aber sich relativ gesehen fast nie ändern. Gibt es da 
vielleicht eine Faustformel, wie ich hier die Verlustleistung bestimmen 
kann?

Schon mal Danke im Voraus.
DaMicha.

Autor: Falk (Gast)
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@ Da Micha

>Ich möchte die Verlustleistung eines Spartan-3E (XC3S500E) bestimmen.
>Das muss nicht auf das Milliwatt genau sein, aber ich sollte schon den
>ermittelten Wert begründen können.

Was willst du genau machen?

a) Die zu erwartende Verlustleistung eines Designs in Voraus abschätzen? 
Dazu gibts den Power Estimator auf der Xilinx Homepage.

b) Die reale Verlustleitung eines FPGAs messen? Dazu musst du nur dis 
Ströme von Vcore, Vaux und VIO messen und mit den real gemessenen 
Spannungen multiplizieren.

>Für Inputpins ist dort(Tabelle 77) ein Verluststrom von 10uA pro Pin

Nein, das ist ein maximaler Leckstrom. Real ist der kleiner.

>angegeben. Ich habe 70 Input pins, also sind das ca. 2.3mW
>Verlustleistung.

>Bei den Outputpins bin ich da schon ins stolpern gekommen. Tabelle 80
>zeigt für die einzelnen IO Standards den Stromverbrauch an. So ganz

Dass glaub ich nicht so ganz.  Wieviel Strom die Ausgänge brauchen hängt 
von der angeschlossenen Last und der Schaltfreqeunz der Ausgänge ab.

>Weitere Ruheströme für die einzelnen Spannungen ergibt die Tabelle 78.
>Bei dem XC3S500E sind angegeben:
>core:20mA*1.2Vm,
>IOBANK:0.8mA*3.3V,
>auxiliary:18mA*2.5V.
>Das ergibt zusammen ca. 45mW.

Das schon eher.

>Bei dem 2.Strom bin ich mir aber nicht sicher, ob sich der Wert auf alle
>IOs bezieht oder auf eine IO Bank. (Mir war so, als ob man die IOBänke
>mit unterschiedlichen Spannungen fahren konnte)

Kann man, ändert am Strom aber wenig, nur an der Leistung.

>Insgesamt ergeben sich also ca. 114mW beim nichts tun.

Im schlimmsten Fall (worst case) bei maximaler Betriebsspannung und 70C 
Umgebungstemperatur.
Real unter Laborbedingungen vielleicht 1/4 bis 1/2.

>Bei der dynamischen Verlustleistung hänge ich total in der Luft. Ich
>rechne damit, dar FPGA mit 20MHz getaktet wird und sich die Hälfte der
>Flipflops mit diesem Takt ändern können und die andere Hälfte zwar
>benutzt wird, aber sich relativ gesehen fast nie ändern. Gibt es da
>vielleicht eine Faustformel, wie ich hier die Verlustleistung bestimmen
>kann?

Schau dir den Power Estimaor an. Dort gibts auch ein paar PDFs die die 
Materie erklären.

MfG
Falk

P.S. Für die reale Messung, siehe hier.

http://www.geocities.com/jacquesmartini/digital/pl...


Autor: Da Micha (damicha)
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@Falk

>
>>Ich möchte die Verlustleistung eines Spartan-3E (XC3S500E) bestimmen.
>>Das muss nicht auf das Milliwatt genau sein, aber ich sollte schon den
>>ermittelten Wert begründen können.
>
> Was willst du genau machen?
>
> a) Die zu erwartende Verlustleistung eines Designs in Voraus abschätzen?
> Dazu gibts den Power Estimator auf der Xilinx Homepage.

Danke erstmal.
Ja ich möchte die Verlustleistung im Voraus wissen, um abschätzen zu 
können wieviel Wärme abzuführen ist.
Für den Power Estimtor muss ich jetzt erstmal nachschauen.


>
> Nein, das ist ein maximaler Leckstrom. Real ist der kleiner.
>
>>angegeben. Ich habe 70 Input pins, also sind das ca. 2.3mW
>>Verlustleistung.
>
Das ist gut. Aber der Beitrag scheint ja ohnehin relativ gering zu sein.


>>Bei den Outputpins bin ich da schon ins stolpern gekommen. Tabelle 80
>>zeigt für die einzelnen IO Standards den Stromverbrauch an. So ganz
>
> Dass glaub ich nicht so ganz.  Wieviel Strom die Ausgänge brauchen hängt
> von der angeschlossenen Last und der Schaltfreqeunz der Ausgänge ab.
OK, denke, dass das dann auch Richtung Power Estimator geht... Die Last 
muss ich dann noch bestimmen (Leitung + Connector + uC Input Pin @ 20 
MHz).

>
>>Weitere Ruheströme für die einzelnen Spannungen ergibt die Tabelle 78.
>>Bei dem XC3S500E sind angegeben:
>>core:20mA*1.2Vm,
>>IOBANK:0.8mA*3.3V,
>>auxiliary:18mA*2.5V.
>>Das ergibt zusammen ca. 45mW.
>
> Das schon eher.

>
>>Insgesamt ergeben sich also ca. 114mW beim nichts tun.
>
> Im schlimmsten Fall (worst case) bei maximaler Betriebsspannung und 70C
> Umgebungstemperatur.
> Real unter Laborbedingungen vielleicht 1/4 bis 1/2.
Gut!


>
>>Bei der dynamischen Verlustleistung hänge ich total in der Luft. Ich
>>rechne damit, dar FPGA mit 20MHz getaktet wird und sich die Hälfte der
>>Flipflops mit diesem Takt ändern können und die andere Hälfte zwar
>>benutzt wird, aber sich relativ gesehen fast nie ändern. Gibt es da
>>vielleicht eine Faustformel, wie ich hier die Verlustleistung bestimmen
>>kann?
>
> Schau dir den Power Estimaor an. Dort gibts auch ein paar PDFs die die
> Materie erklären.
... also erstmal die Hausaufgaben machen ;-).

Gruß DaMicha.

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