FPGA電源測試及幾個典型案例XC6SLX100-2FGG676I

發布時間:2022/9/29 11:01:00 訪問次數:75

一、AMD-Xilinx FPGA供電電源種類
在硬件設計電路中，根據芯片功能復雜度，可編程芯片一般都需要不止一種供電電源來驅動芯片內部的不同功能塊，而FPGA具備邏輯可編程、編程靈活度更高、高集成度等特點，供電電源種類繁多，需要硬件設計人員格外關注。

以AMD-Xilinx FPGA為例，不同的制程工藝下針對用戶的各種需求，會規劃有多個產品系列，其中集成不同功能、不同性能的功能模塊，因此我們按照功能模塊劃分來描述AMD-Xilinx FPGA需要的各種供電電源，簡單把電源種類分為PL供電電源、PS供電電源、集成功能塊供電電源。

每個系列FPGA產品的供電電源種類、名稱、電壓值、精度要求、去耦電容要求會有差異，具體設計時請工程師參照對應芯片系列的手冊詳細查詢，本文中不對供電電源種類、名稱、電壓值、精度要求、去耦電容要求等做詳細解釋。

PL供電電源：VCCO、VCCAUX、VCCAUX_IO、VCCINT、VCCINT_IO、VCCBRAM、VBATT、VCCADC等。
PS供電電源：VCC_PSINTFP、VCC_PSINTLP、VCC_PSAUX、VCC_PSINTFP_DDR、VCC_PSPLL、VPS_MGTRAVCC、VPS_MGTRAVTT、VCCO_PSDDR、VCC_PSDDR_PLL、VCCO_PSIO、VCC_PSBATT等。

集成功能塊供電電源：

A. VCU供電電源：VCCINT_VCU;
B. XADC/System Monitor供電電源：VCCADC、VREFP、VREFN等;
C. GT Transceiver供電電源：VCCINT_GT、VMGTAVCC、VMGTAVTT、VMGTVCCAUX、VMGTAVTTRCAL等;
D. HBM供電電源：VCC_HBM、VCC_IO_HBM、VCCAUX_HBM等;
E. RF供電電源：VADC_AVCC、VADC_AVCCAUX、VDAC_AVCC、VDAC_AVCCAUX、VDAC_AVTT、VCCINT_AMS、VCCSDFEC等;

二、如何測試FPGA的供電電源

硬件工程師通常會在硬件設計初期對各路電源的功耗做預估并留有設計裕量，此時強烈推薦硬件設計工程師、邏輯設計工程師和嵌入式軟件設計工程師一起參與，使用XPE工具和已有的設計工程來進行功耗預估；在硬件焊接完畢之后硬件設計工程師也會測試各路電源的電壓值、紋波等參數指標，都確認OK后才會交給邏輯設計工程師去做外設、接口的測試。

針對支持客戶過程中遇到的幾個典型問題，作者根據自己的理解給出電源測試的幾點建議，歡迎硬件設計工程師們郵件來交流討論：
A. 測試電壓值時不建議使用萬用表，建議使用示波器的平均值功能，并調節合適的檔位;
B. 硬件設計中通常為了方便斷開電源，會在電源輸出進FPGA之前添加磁珠或者電感，磁珠和電感會引入壓降，建議在磁珠和電感之后測試；如無磁珠和電感，建議測試點盡量靠近FPGA的電源PIN；
C. 每個系列的FPGA都有對應的DC and AC Swtiching Characteristics手冊，里面會給出每種電源的電壓值要求范圍，實測電源電壓值在考慮上紋波的影響后不要超出手冊要求范圍，盡量不要接近下限；舉例說明：Kintex Ultrascale+器件的VCCINT電壓值在DS922上要求如下圖，若我們使用0.85V供電，在測試電壓值時，考慮上紋波的影響，不要超出0.825V~0.876V的范圍，也盡量不要接近0.825V的下限電壓;

D. 紋波測試時選擇合適的檔位、使用交流耦合、打開20MHz帶寬抑制;

E. 帶負載測試，FPGA加載程序和不加載程序時，功耗差異大，對于電源輸出電壓和紋波特性有影響，所以在測試電源時盡量使用完整的設計程序測試；在邏輯和軟件調試的后期也不要因為板卡剛焊接好時硬件工程師測試過電源，而不敢懷疑電源問題;

三、電源影響FPGA功能和性能的幾個典型案例

電源影響功能和性能的幾個典型案例：

案例A：電源影響GT Transceiver性能

用戶使用K7 FPGA做HDMI2.0 TX設計，輸出4K@60fps視頻點屏，屏幕上有噪點，測試客戶板卡上GTX相關的MGTAVCC、MGTAVTT、MGTVCCAUX電源，發現MGTAVTT的紋波40+mV。

用戶在二次改板時修改了電源去耦電容，優化了紋波，但是改板后在測試HDMI TX點屏時，4K@30fps點屏測試OK，4K@60fps點屏不成功。

使用IBERT測試，IBERT 6Gbps Near-end PCS環回測試OK，IBERT Near-end PMA環回測試鏈路不穩定，會間歇性no link；而Ibert 3Gbps Near-end PCS環回和Near-end PMA環回均OK。

懷疑到MGTAVTT電源，經過測試發現，MGTAVTT在FPGA未加載程序時電壓值測試正常、紋波在30mV以內；MGTAVTT在FPGA加載程序后電源電壓從1.198V跌落到了1.18V，考慮上紋波影響后，可能會超出1.17V的下限，調高MGTAVTT電源電壓值后，4K@60fps點屏測試工作正常。

案例B：電源影響GT Transceiver性能

用戶使用V5器件做XAUI設計，在實驗室環境下測試所有功能正常，最終用戶的板卡插到機房的標準機柜中測試時發現有數據丟幀現象，測試MGTAVCC、MGTAVTT、MGTVCCAUX電源的電壓值和紋波，均符合手冊要求的范圍。
經過和用戶一起分析，認為機房中電磁干擾可能比較大，最終把MGTAVTT調整到比標準值1.20V略大，提升Transceiver PMA抗干擾能力，問題解決。

案例C：電源影響Memory初始化完成

用戶使用A7 FPGA，外接DDR3 Memory，在樣機研制階段沒有發現問題，進入批產階段后，在生產的幾千塊板卡中有幾百塊不能正常工作，通過JTAG調試發現DDR3的init_calib_complete為0，初始化無法完成。

換用MIG的example design測試，發現在有故障的板卡上使用example design也無法初始化完成，通常在MIG example design測試不過的時候我們考慮電源、時鐘、PCB的影響，由于客戶批量生產中大部分板卡整個程序測試OK，因此我們排除掉PCB的影響。

在測試電源時，我們發現用戶硬件設計時在接DDR3的BANK VCCO供電的1.5V實測值為1.48V，經過一個磁珠后電壓值為1.46V，考慮上紋波的影響，到達FPGA VCCO PIN的電壓可能低至1.44V，我們拆掉磁珠直接短接兩個焊點后，DDR3 example design測試OK，用戶的完整應用測試也OK。

案例D：電源影響VCU工作

用戶使用ZU4EV來做視頻編解碼設計，編碼端使用VCU做4路1080P視頻的壓縮，測試中發現當使能2路1080P視頻壓縮時編碼板工作正常，當使用軟件命令啟動第3路視頻的壓縮時，VCU編碼功能掛死；而解碼板只做2路1080P視頻的解壓縮，所以解碼板的VCU未發現問題。

我們在軟件側嘗試做工作，檢查VCU的IP配置，嘗試在VCU編碼掛死時重新加載VCU的驅動，使用不同的Vivado版本、Petalinux版本、驅動版本等，測試現象一致。

檢查用戶的原理圖，發現VCCINT_VCU和VCC_INT是同一路電源供電，前端電源芯片輸出0.85V電壓，查證后得知，早期的Xilinx手冊上寫VCCINT_VCU可以0.85V供電，在現在的手冊上VCCINT_VCU要求0.9V供電。