在硬件設(shè)計電路中,，根據(jù)芯片功能復(fù)雜度,，可編程芯片一般都需要不止一種供電電源來驅(qū)動芯片內(nèi)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(shè)計人員格外關(guān)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(guī)劃有多個產(chǎn)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(chǎn)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(shè)計時請工程師參照對應(yīng)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(shè)計初期對各路電源的功耗做預(yù)估并留有設(shè)計裕量,，此時強烈推薦硬件設(shè)計工程師、邏輯設(shè)計工程師和嵌入式軟件設(shè)計工程師一起參與,，使用XPE工具和已有的設(shè)計工程來進行功耗預(yù)估,；在硬件焊接完畢之后硬件設(shè)計工程師也會測試各路電源的電壓值、紋波等參數(shù)指標(biāo),，都確認OK后才會交給邏輯設(shè)計工程師去做外設(shè),、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(jù)自己的理解給出電源測試的幾點建議,，歡迎硬件設(shè)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(diào)節(jié)合適的檔位,；
B. 硬件設(shè)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(yīng)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，F(xiàn)PGA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(shè)計程序測試,；在邏輯和軟件調(diào)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(shè)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(guān)的MGTAVCC,、MGTAVTT,、MGTVCCAUX電源，發(fā)現(xiàn)MGTAVTT的紋波40+mV,。
用戶在二次改板時修改了電源去耦電容,，優(yōu)化了紋波,，但是改板后在測試HDMI TX點屏?xí)r,，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(huán)回測試OK，IBERT Near-end PMA環(huán)回測試鏈路不穩(wěn)定,，會間歇性no link;而Ibert 3Gbps Near-end PCS環(huán)回和Near-end PMA環(huán)回均OK,。
懷疑到MGTAVTT電源，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn),，MGTAVTT在FPGA未加載程序時電壓值測試正常,、紋波在30mV以內(nèi)；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(diào)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(shè)計，在實驗室環(huán)境下測試所有功能正常,，最終用戶的板卡插到機房的標(biāo)準機柜中測試時發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)丟幀現(xiàn)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(jīng)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(diào)整到比標(biāo)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(fā)現(xiàn)問題,，進入批產(chǎn)階段后,，在生產(chǎn)的幾千塊板卡中有幾百塊不能正常工作，通過JTAG調(diào)試發(fā)現(xiàn)DDR3的init_calib_complete為0,，初始化無法完成,。
換用MIG的example design測試，發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)用戶硬件設(shè)計時在接DDR3的BANK VCCO供電的1.5V實測值為1.48V,，經(jīng)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(yīng)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(shè)計，編碼端使用VCU做4路1080P視頻的壓縮,，測試中發(fā)現(xiàn)當(dāng)使能2路1080P視頻壓縮時編碼板工作正常,，當(dāng)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(fā)現(xiàn)問題。
我們在軟件側(cè)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(qū)動，使用不同的Vivado版本,、Petalinux版本,、驅(qū)動版本等，測試現(xiàn)象一致,。
檢查用戶的原理圖,，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)在的手冊上VCCINT_VCU要求0.9V供電。
測試中發(fā)現(xiàn),，VCCINT經(jīng)過一個磁珠后給VCCINT_VCU,，在VCU啟動到編碼功能時，磁珠的壓降變化,，每啟動一路1080P視頻編碼,，整板功耗增加約1W；在啟動到第3路1080P編碼時,，磁珠的壓降大至0.03V,，VCCINT_VCU跌落至0.82V，VCU不能正常工作,。
最終我們?nèi)サ舸胖?，把VCCINT和VCCINT_VCU的電壓調(diào)高至0.87V，用戶完整設(shè)計工作正常,。
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