1 引言
隨著半導體和芯片技術的飛速發展，現在的FPGA集成了越來越多的可配置邏輯資源、各種各樣的外部總線接口以及豐富的內部RAM資源，使其在國防、醫療、消費電子等領域得到了越來越廣泛的應用。當采用FPGA進行設計電路時，大多數FPGA對上電的電源排序和上電時間是有要求的，所以電源排序是需要考慮的一個重要的方面。通常情況下，FPGA供應商都規定了電源排序、上電時間的要求。因為一個FPGA所需要的電源軌數量會從3個到10個以上不等。通過遵循推薦的電源序列，可以避免在啟動期間吸取過大的電流，同時又可以防止器件受損壞。對一個FPGA的最小電路中的電源進行排序有多種方法。本文中主要以MP5650為例，來敘述把PGOOD引腳級聯至使能引腳來實現排序。
2. 研發案例
今天分享的案例是以明德揚公司研發的K7核心板，命名為MP5650為例。MP5650采用XILINX Kintex-7系列的XC7K325T-2FFG900I/XC7K410T-2FFG900I作為主控制器，在FPGA 芯片的HP 端口上掛載了4片DDR3存儲芯片，每片DDR3 容量高達512M 字節，每片16bit組成64bit 位的數據位寬。1片128Mb 的QSPI FLASH 芯片用來靜態存儲FPGA 芯片的配置文件或者其它用戶數據。核心板采用4個0.5mm間距120Pin 鍍金連接器與底板連接，核心板四個腳放置了4個3.5mm固定孔，此孔可以與底板通過螺絲緊固，確保了在強烈震動的環境下穩定運行。核心板結構尺寸為65（mm）× 85（mm）。整個開發系統的結構如圖1所示，實物圖如圖2所示。該板很適合高速數據通信；視頻采集、視頻輸出、消費電子；機器視覺、工業控制；項目研發前期驗證；電子信息工程、自動化、通信工程等電子類相關專業開發人員學習等領域及人群。
圖1 核心板結構圖
圖2 核心板實物圖
MP5650的K7FPGA所需要的電源軌如下：
（1）VCCINT
FPGA內部核心電壓。其不損壞FPGA器件的范圍為-0.5V~1.1V，正常工作電壓為0.97V~1.03V，推薦工作電壓為1.0V。
（2）VCCAUX
輔助供電電壓。其不損壞FPGA器件的范圍為-0.5V~2.0V。正常工作電壓為1.71V~1.89V。推薦工作電壓為1.8V。
（3）VCCBRAM
內部Block RAM的供電電壓。其不損壞FPGA器件的范圍為-0.5V~1.1V。正常工作電壓為0.97V~1.03V，推薦工作電壓為1.00V。
（4）VCCIO
對于HR BANK的接口電壓來說，需要與外部器件的信號電平保持一致，其不損壞FPGA器件的范圍為-0.5V~3.6V。正常工作電壓為1.14V~3.465V。推薦工作電壓與外部信號電平一致即可。對于HP BANK的接口電壓來說，需要與外部器件的信號電平保持一致，其不損壞FPGA器件的范圍為-0.5V~2.0V。正常工作電壓為1.14V~1.89V。推薦工作電壓與外部信號電平一致即可。
（5）VCCAUX_IO
IO輔助電壓。其不損壞FPGA器件的范圍為-0.5V~2.06V。正常工作電壓為1.14V~1.89V/2.06V。推薦工作電壓為1.8V/2V。
（6）VCCADC
XADC的供電電壓。其不損壞FPGA器件的范圍為-0.5V~2.0V。正常工作電壓為1.71V~1.89V。推薦工作電壓為1.80V。
（7）MGTAVCC
GTX收發器核心電壓。其不損壞FPGA器件的范圍為-0.5V~1.1V。正常工作電壓為0.97V~1.08V，推薦工作電壓為1.00V。
（8）MGTAVTT
GTX收發器終端匹配電壓。其不損壞FPGA器件的范圍為-0.5V~1.32V。正常工作電壓為1.17V~1.23V。推薦工作電壓為1.20V。
（9）MGTVCCAUX
GTX收發器輔助電壓。其不損壞FPGA器件的范圍為-0.5V~1.935V。正常工作電壓為1.75V~1.85V。推薦工作電壓為1.80V。
（10）MGTAVTTRCAL
GTX收發器校正電壓。其不損壞FPGA器件的范圍為-0.5V~1.32V。正常工作電壓為1.17V~1.23V。推薦工作電壓為1.20V。
官方推薦的上電順序依次為VCCINT、VCCBRAM、VCCAUX、VCCAUX_IO、VCCO，斷電順序和上電順序正好相反。另外如果VCCINT和VCCBRAM電源軌一致，則可同時上電/斷電。VCCAUX_IO、VCCAUX與VCCO電源軌一致也可同時上電/斷電。其它電源軌則無上電順序。GTX收發器的上電順序為VCCINT、MGTAVCC、MGTAVTT或者MGTAVCC、VCCINT、MGTAVTT。斷電順序正好相反。MGTVCCAUX無順序。
3. MP5650電源排序方法
實現排序的一種方法是把一個電源的電源良好（PGOOD）管腳級聯至相繼的下一個電源的使能（EN）管腳，如圖3所示。在電源芯片在PG門限得到滿足時開始接通。該方法的優勢是成本低，但是無法輕松的控制定時。在EN管腳上增加電容在上電的級聯上引入定時延時。
圖3 把PGOOD引腳級聯至使能引腳示意圖
MP5650上選用的DC-DC電源芯片為LTM4628和LTNM4622,芯片的使用典型電路如圖4所示。芯片通過控制TRACK/SS管腳，通過給該管腳外加電容來改變上電時間。電容越小，上電時間越短。若FPGA電源級數較多較多，若每級上電時間較長，會導致電源總的上電時間過慢，超過官方給的最大值，導致無法啟動配置工作，FPGA工作不正常。官方提供的上電時間要求如圖5所示，最大不超過50ms。
圖4 LTM4628和LTNM4622芯片使用典型電路
圖5 官方提供的上電時間要求
在我們最初的設計中TRACK/SS管腳電容選為0.1uF，我們發現經過四級級聯后，上電有時Flash配置芯片配置不成功，經示波器測試發現上電時間過長，超過了Xilinx要求的50ms，如圖6所示。經修改TRACK/SS管腳電容選為4.7nF后，上電時間大大縮短，如圖7所示，約為3ms。滿足了Xilinx上電時間要求，FPGA可以正常工作。設計中也可以將TRACK/SS管腳懸空，在默認情況下，上電時間有默認延時時間約為幾百微秒。
圖6 TRACK/SS管腳電容為0.1uF時，最后一級電源上電時間
4. 總結
總得來說，kintex7 FPGA電源結構比較復雜。目前用戶設計的7系列FPGA帶上電順序的電源方案常用各個電源芯片的輸入EN和輸出PGOOD來控制順序，上電時間需滿足Xilinx官方要求。通過開始描述，我們能夠清晰看到這個MP5650核心板所含有的接口和功能。對于需要大量IO的用戶，此核心板將是不錯的選擇。而且IO連接部分，同一個BANK管腳到連接器接口之間走線做了等長和差分處理，對于二次開發來說，非常適合。
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