FPGA电源上电时序
一、电源时序介绍
电源时序是任何需要电源管理的设计中必不可少的一部分。在复杂的多电源轨系统中，这种时序尤为关键。例如，特定应用的集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）和微处理器等设备仅用于为内存、核心和输入输出（I/O）供电就需要多个电压轨。
电源时序时序分为上电时序和掉电时序。上电时序是指在系统启动时，电源轨不是同时供电，而是按照一定的顺序逐个激活。例如，现场可编程门阵列（FPGA）首先可能需要为VCCINT供电，最后才是输入/输出（I/O）部分。掉电时序则是在系统关闭时，电源轨按照启动顺序的逆序逐个断电。例如，可能首先关闭I/O部分的电源，最后是VCCINT。通过合理地控制电源轨的顺序启动和关闭，可以最大限度地减少系统故障的风险，提高系统的可靠性和耐用性。
二、FPGA电源上电时序
VCCINT → VCCBRAM → VCCAUX → VCCAUX_IO → VCCO，断电顺序正好相反。
VMGTAVCC → VMGTAVTT → VMGTAVTTRCAL → VMGTVCCAUX，断电顺序正好相反。
三、时序限制
VCCO与VCCAUX之间的电压差不应超过2.625V。。如果VCCO与VCCAUX之间的电压差超过2.625V，那么这个超过差值的状态在每个电源周期内的时间不应超过特定的时间限制，具体取决于温度条件：
四、FPGA电源引脚定义
FPGA的电源主要由核心VCCINT、块RAM供电VCCBRAM、辅助电压VCCAUX和VCCAUX_IO、IO电压VCCIO、高速GTX接口电压VMGTAVCC、VMGTAVTT、VMGTVCCAUX、VMGTAVTTRCAL等电压组成。
**VCCINT：**VCCINT是FPGA芯片的核心电压，用于给FPGA内部的逻辑门和触发器供电。也就是说，芯片的晶体管开关是由核心电压供电的。当内部逻辑工作时钟频率较高，使用的逻辑资源越多时，核心电压供电电流就会越大，可能会达到几安培，此时芯片必然会发热，需要散热器来协助散热。随着FPGA的发展，核心电压已经从5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.5V逐渐降低到1V。核心电压是固定的。（由所使用的FPGA模式决定）。
VCCIO：VCCIO（有些地方也称为VCCO）是FPGA用于驱动IO模块（相同的IO引脚）的电压。FPGA通常需要与许多不同电平接口的芯片通信，因此VCCIO支持非常多的电平标准，一个Bank中只能存在一个IO电压。需要注意的是，VCCO分为HR bank电压和HP bank电压，其中HR bank电压通常设计为3.3V，HP Bank通常设计为1.5V，这是因为HP常常用于DDR IO的连接。
VCCAUX：FPGA不仅仅是一个简单的数字逻辑芯片，它还包含一些内部模拟组件，如Xilinx DCM数字时钟管理组件、FPGA的高级点和高速串行及并行转换器serdes、温度监测设备等模拟设备，这些模拟设备对电源噪声的要求非常高，因此需要一个单独稳定的电源来供电。Vccaux是为这些模拟设备提供电压的，此外Vccaux也可以是IO电源的一部分，如JTAG等。
VCCAUX_IO：VCCAUX_IO是相对于地的辅助供电电压（前置驱动电压）。在Xilinx FPGA芯片中，Vccaux_io是一个单独的轨道，为高性能库中的I/O电路提供电源。Vccaux_io必须设置为2.0V以支持更高的数据速率，并且可以设置为1.8V以支持较低的数据速率（电压的选择取决于目标存储器接口频率）。
VCCBRAM：内部Block RAM的供电电压。其不损坏FPGA设备的范围内是-0.5V到1.1V。对于-2和-1的Spartan7系列，正常工作电压是0.95V到1.05V，推荐工作电压是1.00V。对于-1L的Spartan7系列，正常工作电压是0.92V到0.98V，推荐工作电压是0.95V。
VMGTAVCC：GTP收发器核心电压。其不损坏FPGA设备的范围内是-0.5V到1.1V。正常工作电压是0.97V到1.03V。推荐工作电压是1.00V。（Xilinx的FPGA芯片）
VMGTAVTT：GTP收发器终端匹配电压。其不损坏FPGA设备的范围内是-0.5V到1.32V。正常工作电压是1.17V到1.23V。推荐工作电压是1.20V。（Xilinx的FPGA芯片）
五、电源设计与需求收集
首先明确FPGA电源需求，包括每个电源轨的电压、电流、瞬态负载、电压变化率（Slew Rate）和电压容差。这些信息通常在早期开发阶段提供，并作为设计电源架构的基础；其次考虑设计关键因素。值得提醒的时，如果VCCINT和VCCBRAM有相同的推荐电压水平，它们可以由同一个电源供电并同时上升。同样，如果VCCAUX和VCCO有相同的推荐电压水平，它们也可以由同一个电源供电并同时上升。同时需要确保在电源开启和配置过程中满足最小电流要求，以保证设备能够正常启动和配置。
轨道名称 电压 电流 瞬态负载 转换速率 电压容差 上电时序
VCCINT 1V 5% 1
VCCBRAM 1V 5% 1
VCCAUX 1.8V 5% 2
VCCIO_DDR 1.5V 5% 3
VCCAUX_IO 2V 5% 3
VCCIO_3.3V 3.3V / 4
考虑因素 描述
电源调节器选择 DCDC or LDO or other
转换器拓扑方式选择 Buck、Boost 、Buck-Boost、隔离
输出拓扑方式选择 单相：适用于电流需求较小的应用；
多相：通过并联转换器提高电流供给能力和热效率
其他功能 拉电流和灌电流的能力
失能，指示OK的信号
保护功能 过压保护（OVP）：防止电压超过最大承受值
保护功能 欠压保护（UVP）:输入电压过低时安全关闭系统
保护功能 过流保护（OCP）：超过额定电流时保护系统
保护功能 短路保护：输出短路时及时切断电源
六、时序技术介绍
- RC延迟控制
最基础的方法是RC延迟控制。通过调整RC值，可以设定电源的上电顺序。RC时间常数较小的电源会优先启动。此外，软启动调整也是一种类似技术，可以减缓某些电源的上升速度。但这些方法存在一些缺点：
- 问题描述 详细说明
不支持断电时序 RC方法主要用于上电时序控制，不适用于断电时序。
温度变化或系统故障时可能不够稳定 RC方法的稳定性受电容特性影响，在温度变化或系统故障时可能无法保持稳定。
对于独立于主电源的电压可能不适用 RC方法可能不适用于独立于主电源的电压轨，如3.3V相对于5V，可能造成设备在未完全供电的情况下工作。
- 级联电源技术
级联电源技术提供了一种更有效且可靠的解决方案。它通过前级电源芯片的PGOOD引脚连接到下一个电源芯片的使能引脚，实现顺序上电。当首个电源芯片稳定后，自动触发下一个电源芯片上电。虽然这种方法比RC时序控制更可靠，但同样不提供断电时序功能。
可使用tps7a8300级联
- MCU时序控制
利用微控制器（MCU）进行时序控制。它依赖软件支持，通过计时器、GPIO和MCU的处理能力来监控电源状态，并按照预设序列控制设备的上电和断电。这种技术虽然复杂，但提供了极高的控制灵活性。
- 电源管理芯片PMIC
TI器件为例，LM3880有三个电源轨，通过调整R1、R2和R3的值来控制设备的上电或断电。如果需要比前两种技术更可靠的方案，LM3880是一个简单有效的替代。必要时，LM3880还可以串联使用，以扩展控制更多设备。
原文链接：https://blog.ZEEKLOG.net/Zhuo3364/article/details/142104480
