Xilinx Kintex-7 電(diàn)源稳定(dìng)性(xìng)調試心(xīn)得（私人(rén)總(zǒng)結版）
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Xilinx KC705 開(kāi)發(fà)套(tào)件(jiàn)
Xilinx XC7K325T是(shì)Kintex-7系(xì)列其中(zhōng)一(yī)个(gè)型号(hào)，擁有(yǒu)326K邏輯單元(yuán)和(hé)407K CLB觸發(fà)器，IO資源也(yě)达(dá)到(dào)了(le)500个(gè)單端IO，240对(duì)差分(fēn)对(duì)。
公司最(zuì)近(jìn)在(zài)搞的(de)信(xìn)号(hào)采集处理項目就(jiù)用(yòng)了(le)这(zhè)款FPGA，采集模块(kuài)部(bù)分(fēn)采用(yòng)14位、500 MSPS LVDS、双(shuāng)通(tòng)道(dào)模數轉(zhuǎn)換器（用(yòng)的(de)是(shì)ADI的(de)AD9684，并行14位LVDS接口(kǒu)，DDR模式）
AD9684
PS：此(cǐ)ADC功能(néng)很強(qiáng)大，可(kě)说(shuō)是(shì)數字(zì)通(tòng)信(xìn)接收(shōu)機(jī)的(de)利器，哈哈，後(hòu)續有(yǒu)機(jī)会(huì)跟大家(jiā)介紹此(cǐ)ADC的(de)調試心(xīn)得。
調試过(guò)程很漫长，由(yóu)于(yú)板卡(kǎ)的(de)稳定(dìng)性(xìng)一(yī)直(zhí)存在(zài)問(wèn)題(tí)，FPGA發(fà)热(rè)异(yì)常，調試經(jīng)常遇見(jiàn)莫名其妙的(de)Bug，由(yóu)于(yú)最(zuì)終(zhōng)采集处理後(hòu)的(de)數據(jù)通(tòng)过(guò)千(qiān)兆(zhào)以(yǐ)太网(wǎng)發(fà)出(chū)，數據(jù)給(gěi)予到(dào)上(shàng)位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一(yī)步处理，因(yīn)此(cǐ)千(qiān)兆(zhào)以(yǐ)太网(wǎng)PHY芯片(piàn)采用(yòng)的(de)是(shì)88E1111,它(tā)支持(chí)RGMII,GMII,SGMII等接口(kǒu)與(yǔ)MAC层連(lián)接，相信(xìn)大家(jiā)都不(bù)会(huì)陌生(shēng)，Marvell 88E1111 PHY芯片(piàn)價格還(huán)是(shì)挺高(gāo)的(de)，但是(shì)功能(néng)也(yě)确实強(qiáng)大。
Marvell 88E1111
值得一(yī)提(tí)的(de)是(shì)88E1111的(de)MDI線(xiàn)與(yǔ)网(wǎng)口(kǒu)變(biàn)壓器連(lián)接时(shí)，中(zhōng)心(xīn)抽头(tóu)需要(yào)接VCC，因(yīn)为(wèi)88E1111是(shì)電(diàn)流驅動(dòng)型IC。
參考接法
至(zhì)于(yú)采用(yòng)的(de)電(diàn)源多(duō)大，與(yǔ)所(suǒ)用(yòng)PHY芯片(piàn)有(yǒu)關(guān)，这(zhè)里(lǐ)不(bù)再贅述。 調試过(guò)程中(zhōng)，千(qiān)兆(zhào)网(wǎng)口(kǒu)經(jīng)常出(chū)現(xiàn)連(lián)接斷開(kāi)的(de)現(xiàn)象(xiàng)，网(wǎng)口(kǒu)變(biàn)壓器异(yì)常發(fà)热(rè)，排查問(wèn)題(tí)时(shí)發(fà)現(xiàn)88E1111芯片(piàn)內(nèi)核電(diàn)源紋波(bō)异(yì)常，1.0V的(de)電(diàn)源，紋波(bō)达(dá)到(dào)了(le)200mV。有(yǒu)意(yì)思(sī)的(de)是(shì)，該電(diàn)源軌與(yǔ)FPGA 內(nèi)核電(diàn)源軌，用(yòng)的(de)VRM是(shì)同(tóng)一(yī)个(gè)，所(suǒ)以(yǐ)K7的(de)內(nèi)核電(diàn)源的(de)紋波(bō)也(yě)达(dá)到(dào)了(le)200mV左(zuǒ)右(yòu)，也(yě)就(jiù)是(shì)誤差达(dá)到(dào)了(le)±10%，这(zhè)是(shì)不(bù)能(néng)接受的(de)。至(zhì)此(cǐ)我(wǒ)们(men)一(yī)度(dù)怀疑采集处理後(hòu)數據(jù)的(de)錯誤是(shì)因(yīn)为(wèi)該電(diàn)源的(de)容差过(guò)大，導致(zhì)內(nèi)部(bù)邏輯形成(chéng)保持(chí)时(shí)間(jiān)故障。(事(shì)实上(shàng)後(hòu)續調試證实是(shì)时(shí)序約束(shù)問(wèn)題(tí)，这(zhè)里(lǐ)可(kě)以(yǐ)建議大家(jiā)学習一(yī)下(xià)明(míng)德揚的(de)时(shí)序約束(shù)課程，國(guó)內(nèi)少(shǎo)有(yǒu)的(de))
Xilinx 數據(jù)手(shǒu)册上(shàng)指出(chū)內(nèi)核電(diàn)源的(de)为(wèi)1.0V
由(yóu)數據(jù)手(shǒu)册可(kě)以(yǐ)知道(dào)，內(nèi)核電(diàn)源需要(yào)1V±30mV，很顯然該VRM是(shì)不(bù)滿足要(yào)求的(de)。電(diàn)源IC是(shì)来(lái)自(zì)于(yú)TI 的(de)開(kāi)關(guān)稳壓器TPS54620 同(tóng)步buck 6A輸出(chū)，测試时(shí)發(fà)現(xiàn)其SW端波(bō)形异(yì)常，明(míng)顯能(néng)看(kàn)出(chū)High side 出(chū)現(xiàn)突然關(guān)斷，Low side 在(zài)High side 關(guān)斷後(hòu)未導通(tòng)。
初步判定(dìng)以(yǐ)为(wèi)是(shì)bootstrap 電(diàn)路(lù)出(chū)現(xiàn)問(wèn)題(tí)，認为(wèi)尖峰(fēng)噪聲導致(zhì)boot電(diàn)容擊穿，然而(ér)現(xiàn)实是(shì)残酷的(de)，更(gèng)換boot電(diàn)容後(hòu)波(bō)形仍然未改變(biàn)。題(tí)主(zhǔ)陷入(rù)盲目，对(duì)補償電(diàn)路(lù)進(jìn)行試錯法調試，調整芯片(piàn)本(běn)振頻率，結果(guǒ)仍然一(yī)樣(yàng)。无奈之下(xià)，静(jìng)下(xià)心(xīn)来(lái)繼續研究數據(jù)手(shǒu)册
TPS54620 內(nèi)部(bù)框图(tú)
冷(lěng)静(jìng)下(xià)来(lái)分(fēn)析了(le)該芯片(piàn)的(de)內(nèi)部(bù)框图(tú)，發(fà)現(xiàn)其High side 與(yǔ)low side 都有(yǒu)電(diàn)流环(huán)路(lù)，認为(wèi)是(shì)電(diàn)流环(huán)路(lù)起作用(yòng)了(le)。但是(shì)什麼(me)原因(yīn)導致(zhì)電(diàn)流环(huán)路(lù)起作用(yòng)，此(cǐ)时(shí)題(tí)主(zhǔ)一(yī)头(tóu)霧(wù)水(shuǐ)，虽以(yǐ)前(qián)設計(jì)过(guò)與(yǔ)調試过(guò)低壓大電(diàn)流的(de)電(diàn)源模块(kuài)，但更(gèng)多(duō)是(shì)按照數據(jù)手(shǒu)册的(de)指引進(jìn)行設計(jì)，下(xià)载原廠(chǎng)提(tí)供的(de)spice模型進(jìn)行參數验(yàn)證（很多(duō)时(shí)候照搬參考設計(jì)并不(bù)能(néng)适合每个(gè)板卡(kǎ)，沒(méi)有(yǒu)設備的(de)情(qíng)況下(xià)我(wǒ)都是(shì)選擇仿真(zhēn)验(yàn)證）。对(duì)該VRM的(de)電(diàn)路(lù)參數進(jìn)行了(le)一(yī)次(cì)排查，發(fà)現(xiàn)電(diàn)感(gǎn)選用(yòng)的(de)是(shì)線(xiàn)藝的(de)MSS6132-103ML_ ，这(zhè)就(jiù)存在(zài)很大問(wèn)題(tí)了(le)，該電(diàn)感(gǎn)的(de)飽和(hé)電(diàn)流只(zhī)有(yǒu)1.6A左(zuǒ)右(yòu)!!
这(zhè)个(gè)電(diàn)流真(zhēn)的(de)太小了(le)，我(wǒ)認为(wèi)根(gēn)本(běn)带(dài)不(bù)動(dòng)K7的(de)內(nèi)核,更(gèng)不(bù)用(yòng)说(shuō)加个(gè)88E1111，但是(shì)口(kǒu)说(shuō)无凭，作为(wèi)技術(shù)人(rén)員，感(gǎn)覺可(kě)以(yǐ)作为(wèi)自(zì)己的(de)經(jīng)验(yàn)方(fāng)向(xiàng)去(qù)調試，但是(shì)凭感(gǎn)覺就(jiù)下(xià)結論，是(shì)万(wàn)万(wàn)不(bù)可(kě)为(wèi)的(de)。所(suǒ)以(yǐ)我(wǒ)打(dǎ)開(kāi)Xilinx Xpower 功耗分(fēn)析工具，对(duì)已經(jīng)綜合後(hòu)的(de)工程進(jìn)行功耗分(fēn)析，結果(guǒ)如(rú)下(xià)
Xpower 界面(miàn)
分(fēn)析結果(guǒ)顯示內(nèi)核電(diàn)源VCCINT的(de)總(zǒng)電(diàn)流为(wèi)2.3A，動(dòng)态電(diàn)流达(dá)到(dào)了(le)2.2A，大大超过(guò)了(le)1.6A。
至(zhì)此(cǐ)，結論很明(míng)顯是(shì)電(diàn)感(gǎn)電(diàn)流过(guò)大达(dá)到(dào)飽和(hé)，失效導致(zhì)high side直(zhí)通(tòng)負载電(diàn)流过(guò)大，電(diàn)流环(huán)路(lù)起作用(yòng)關(guān)閉high side 。然後(hòu)話(huà)不(bù)多(duō)说(shuō)，直(zhí)接更(gèng)換飽和(hé)電(diàn)流更(gèng)大，感(gǎn)量(liàng)較低的(de)電(diàn)感(gǎn)，輸出(chū)電(diàn)容Cout增加一(yī)个(gè)100uF的(de)MLCC（PS.增加電(diàn)容的(de)原因(yīn)是(shì)電(diàn)感(gǎn)改小了(le)，这(zhè)樣(yàng)会(huì)導致(zhì)電(diàn)源功率环(huán)路(lù)的(de)LC二(èr)階(jiē)极(jí)點(diǎn)左(zuǒ)移，在(zài)補償電(diàn)路(lù)为(wèi)改變(biàn)的(de)前(qián)提(tí)下(xià)，可(kě)能(néng)会(huì)導致(zhì)電(diàn)源振蕩），再次(cì)测試，SW端波(bō)形恢複正(zhèng)常，紋波(bō)也(yě)只(zhī)有(yǒu)幾(jǐ)十(shí)mV。
TPS54620 PH端波(bō)形
內(nèi)核電(diàn)源稳定(dìng)後(hòu)，再次(cì)上(shàng)電(diàn)調試，千(qiān)兆(zhào)网(wǎng)口(kǒu)通(tòng)訊正(zhèng)常，FPGA异(yì)常發(fà)热(rè)的(de)問(wèn)題(tí)也(yě)迎刃而(ér)解(jiě)，我(wǒ)去(qù)查了(le)Xilinx官方(fāng)文(wén)獻，內(nèi)核電(diàn)源不(bù)稳定(dìng)是(shì)会(huì)造成(chéng)功耗异(yì)常。建議使用(yòng)模块(kuài)電(diàn)源。MPS，ADI，TI等廠(chǎng)商都有(yǒu)專用(yòng)于(yú)7系(xì)列FPGA的(de)電(diàn)源解(jiě)決方(fāng)案(àn)，體(tǐ)積小，電(diàn)流大，動(dòng)态響應(yìng)快(kuài)，缺點(diǎn)相对(duì)于(yú)用(yòng)PMIC解(jiě)決方(fāng)案(àn)就(jiù)是(shì)貴。这(zhè)三(sān)家(jiā)中(zhōng)MPS的(de)模块(kuài)電(diàn)源價格算比較友好(hǎo)了(le)
MPS Kintex-7 模块(kuài)電(diàn)源解(jiě)決方(fāng)案(àn)
很多(duō)工程师(shī)都会(huì)選擇開(kāi)關(guān)稳壓器作为(wèi)FPGA板卡(kǎ)的(de)VRM，这(zhè)樣(yàng)能(néng)省(shěng)不(bù)少(shǎo)成(chéng)本(běn)，但是(shì)設計(jì)时(shí)應(yìng)該考慮一(yī)下(xià)VRM的(de)稳定(dìng)性(xìng)，避免板卡(kǎ)存在(zài)隐患，調試时(shí)也(yě)能(néng)避開(kāi)许多(duō)問(wèn)題(tí)。想(xiǎng)要(yào)学習交流的(de)同(tóng)学可(kě)以(yǐ)留言給(gěi)我(wǒ)，也(yě)可(kě)以(yǐ)聯系(xì)明(míng)德揚学習更(gèng)多(duō)知識！
