Xilinx的FPGA硬件设计一——电源篇
时间：2023-12-15 08:37:02
FPGA说白了，最小系统就是设计最小系统，可以作为未来一系列产品的基础。一是加快开发流程，二是降低开发难度。这次选择的芯片是Xilinx(赛灵思)7系列（ARTIX）的FPGA。
FPGA可编程实现的外设，如串口、SPI、IIC这些标准接口没有固定的外设接口，可以在逻辑上编写，所以不涉及本方案，只针对FPGA电源、Flash、JTAG等。
下图为FPGA最小系统框图包括：电源，QSPI-FLASH、JTAG、时钟、ADC（这次不涉及，可以忽略）。其中，电源和时钟是整个系统中最重要的部分。电源为系统提供动力，时钟为系统提供时间基础。
本博客选择的型号是XC7A75TFGG484，其与XC7A50TFGG484、XC7A35TFGG硬件上的484完全兼容（PIN对PIN），它们只是在资源上的丰富程度不一样，其他的都一样。
ARTIX系列FPGA引脚的硬件设计相同，如下图所示T其中资源最多CLB可达269200，75为94400，详见下图。虽然该方案是基于75设计的，但不仅针对75，而且针对整个方案ARTIX通用系列。
电源是整个板卡的动力，所以在方案中首先要统计需要使用多少设备和每个设备的功耗，累计计算整个板卡的总功耗，整个电源方案一般按70%-80%的效率设计。
本方案中使用的设备主要包括：FPGA、FLASH。查看FPGA电源特性手册《DC and AC Switching Characteristics》知FPGA不同的电源需要不同的功耗。
如下图所示，75系列内核电流在不同速度等级下电流不同，但最高为155mA。
如下图所示，75系列RAM不同速度等级下的电流相同，为4mA。
如下图所示，75系列FPGA电流在上电过程中远大于正常工作，因此为了保证FPGA能够正常启动的电流必须大于启动电流，每个电源增加的电流可见下图。
查看每个芯片的数据手册，查看其最大工作电流，具体统计如下表所示：
| 序号 |
型号 |
厂家 |
名称 |
数量 |
电流(A) |
功耗(W) |
||
| 3.3V |
1.8V |
1.0V |
||||||
| 1 |
XC7A75TFGG484 |
Xilinx |
FPGA |
1 |
(0.004 0.04)*5 |
0.036+0.04 |
(0.155+0.17) +(0.004+0.06) |
1.26 |
| 2 |
N25Q128 |
Micron |
Flash |
1 |
0.02 |
|
|
0.066 |
| 4 |
TPS51200DRCR |
TI |
电源 |
1 |
- |
- |
|
|
| 5 |
TLV62130RGT |
TI |
电源 |
4 |
- |
- |
|
|
| 6 |
统计总功耗 |
- |
- |
- |
0.24 |
0.076 |
0.389 |
1.326 |
| 7 |
按效率80%计算 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
1.8 |
相对于单片机功能强大的CPU和FPGA是对上电时序（上电顺序和时间）是有较强要求的，否则会烧毁芯片或者芯片无法正常工作，同理本方案的FPGA有上电时序要求。
ARTIX系列FPGA所包含的电源有：VCCINT（内核电源）；VCCBATT（加密内存供电电源）；VCCAUX（辅助电源）；VCCAUX_IO（辅助IO电路电源）；VCCBRAM（逻辑模块RAM）；VCCO_0（配置BANK供电电源）；VCCO_14、VCCO_15（外设电源），其中每个BANK的电压可以不同，可以是1.5V、1.8V、2.5V或3.3V。
如下图所示ARTIX系列FPGA所包含的电压名称和功能如下图所示。
如下图所示，FPGA官方推荐上电时序为：VCCINT--->VCCBRAM--->VCCAUX（VCCBATT）--->VCCO；下电时序则与上电时序相反为：VCCO--->VCCAUX（VCCBATT）--->VCCBRAM--->VCCINT。
如果VCCINT和VCCBRAM的供电电压一样，那么他们是可以同时上电的，若VCCAUX和VCCO也具有相同的供电电压，那么他们也可以同时上电，若VCCBATT用到（即需要掉电保存数据）外接纽扣电池，若没有用到则可以接地或者和VCCAUX用同一电源。
对于高速BANK（HR I/O BANK）和BANK0配置电压VCCO为3.3V时VCCO和VCCAUX的电压差不能能超过2.625V，不然器件会烧坏。
FPGA的PCIE接口（BNAK-216）相对于其他BANK为独立模块，为了获得GTP最小上电电流，其上电时序为VCCINT->VMGTAVCC->VMGTAVTT或VMGTAVCC->VCCINT->VMGTAVTT，其中VMGTAVCC和VCCINT可以用同一电源。
根据对整个板卡功耗的统计，电源芯片选用TI的TLV62130RGT其具有宽输入电压范围（4V—17V）和可调节输出电压（0.9V-5V）并具有高达3A的输出电流能力，其引脚定义如下图所示。
根据上面对FPGA的电源作用和上电时序说明，现板卡电压供电方案如图九所示，首先是经过LDO芯片将总电压降到内核电压，当内核电压稳定后通过PG引脚控制下一级电源上电以此类推。
经过上面的分析和设计知道，要想FPGA能够正常工作需要注意它的上、下电时序和电源功耗，因此在设计中务必要保证这两点。
当然，现在已经有一整套基于FPGA的电源方案，即将FPGA所需电源都集成在一个芯片上如：LTM4644IY其包含所有FPGA所需电源。
好了，就先写这么多吧，剩下的留着下次写，哈哈哈哈~~~~~~~。
