克服FPGA電路板設計挑戰

如果你在采用FPGA的電路板設計方面的經(jīng)驗很有限或根本沒(méi)有，那么在新的項目中使用FPGA的前景就十分堪憂(yōu)——特別是如果FPGA是一個(gè)有1000個(gè)引腳的大塊頭。繼續閱讀本文將有助于你的FPGA選型和設計過(guò)程，并且有助于你規避許多難題。

選取一家供應商

你面臨的第一個(gè)問(wèn)題當然是供應商和器件的選擇。通常供應商決策傾向于你以前接觸最多的那家——如果你是一位FPGA初學(xué)者當然另當別論了?；蛟S這個(gè)決策早已由設計內部邏輯的工程師(也許就是你)依據熟悉的供應商或第三方IP及其成本完成了。

供應商的軟件工具也會(huì )影響到上述決策。下載并使用這些軟件工具，不需要硬件就能將設計帶入仿真階段。這也是判斷需要多大規模的FPGA的一種方式，前提是你的內部邏輯設計基本做完了。

要想知道FPGA的水有多深，需要多逛逛各家供應商的網(wǎng)站。如果你想從這些網(wǎng)站提供的海量(而且并不總是想象中那么清晰的)信息中有所收獲，必須確保你有一整天空閑的時(shí)間。Altera和賽靈思公司是在市場(chǎng)份額和前沿技術(shù)方面都遙遙領(lǐng)先的兩家公司。它們的器件使用內部配置RAM，因此要求使用存放配置數據的外部ROM來(lái)“啟動(dòng)”器件(兩家公司也都有些小的非易失性CPLD類(lèi)產(chǎn)品)。值得考慮的其它供應商還有Microsemi/Actel、萊迪思和賽普拉斯。它們的器件功能包括非常低的靜態(tài)功耗、用于“即時(shí)開(kāi)機”啟動(dòng)的基于ROM的配置和模擬外設。

好了，至此供應商問(wèn)題解決了。接下來(lái)是選取FPGA的系列和規模。供應商都會(huì )將它們的產(chǎn)品細分成多個(gè)系列，通常以低端、中端和高端性能(和規模)這樣的模糊概念加以區分。片上RAM需要多大?要多少DSP/乘法模塊，或千兆位收發(fā)器?你可能需要通讀一遍數據手冊，找出諸如最大時(shí)鐘頻率和I/O時(shí)延等參數來(lái)幫助你選擇正確的系列。需要重申的是，擁有HDL代碼是有很大幫助的，因為設計軟件可以讓你知道適合哪種器件，它們是否能夠滿(mǎn)足你的性能要求。

(來(lái)源：維基百科)

你的應用還可以從不改變PCB就能更新器件中受益。一些FPGA系列包含眾多引腳兼容的器件，可以在需要時(shí)讓你切換到更大(或更便宜和更小)的器件。只是要確保針對最少數量的引腳輸出進(jìn)行設計。

不要忘了考慮其它一些細節，比如如何為不同的供電電壓和I/O標準劃分I/O組、PLL要求以及DDR接口要求。

我們需要更多的功率!

通常很難計算一塊電路板要求的最大電流。但FPGA電源設計相當有技巧。FPGA所需電流很大程度上取決于邏輯設計和時(shí)鐘頻率。同樣一個(gè)器件在一個(gè)設計中可能只需0.5W，而在另一個(gè)設計中可能高達5W。

開(kāi)發(fā)工具(或一個(gè)獨立的程序或電子數據表)應該可以為給定設計提供功率預估值，但它們需要從你那兒得到許多附加信息，其中一些可能只是有根據的推測。如果有FPGA開(kāi)發(fā)板，就應該有方法測量各種情況下的供電電流。一些開(kāi)發(fā)板甚至內嵌電流計顯示器!只是要確保增加足夠多的余量來(lái)應對設計更改以及特殊工藝/溫度要求。

下面是“難題”可能會(huì )出現的時(shí)候：

● 做熱分析，并在必要時(shí)增加散熱器。

● FPGA要求按順序加電嗎?(你的設計很容易出現5個(gè)或6個(gè)電源)

● 至少可能需要一個(gè)“安靜的”電源，通常用于片上PLL?？梢允褂肔DO加上一些無(wú)源濾波器件。千兆位收發(fā)器電源也能從低噪聲中受益。

● 確保你理解FPGA在上電和初始化時(shí)在做什么事。許多器件在這個(gè)時(shí)候需要抽取很大的電流。

關(guān)于引腳及其它

接下來(lái)可以認真考慮引腳分配這件大事了。同樣，如果你的邏輯設計已經(jīng)達到可以被編譯的階段，就讓設計軟件來(lái)提供幫助吧，或至少在做電路板之前驗證你分配的引腳是可行的。你當然已經(jīng)處理過(guò)明顯的資源，比如根據供電電壓劃分I/O組，確保諸如LVDS、SSTL或內部50Ω終端等“特殊”引腳設置兼容它們所在的組和供電電壓。

但在許多器件中存在更深層次的微妙關(guān)系：在“不要在單端信號的2個(gè)IC綁定焊盤(pán)內放置差分對”，或“類(lèi)似于參考電壓的輸入必須距離時(shí)鐘信號至少3個(gè)焊盤(pán)遠”等字里行間隱含著(zhù)復雜的規則。這些規則很容易讓人發(fā)瘋。如果讓人不堪忍受，就讓設計軟件為你指出違例吧。如果你不這樣做，那么這些問(wèn)題肯定會(huì )讓你疲憊不堪。

接地反彈或并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲(SSN)是另外一個(gè)考慮因素。由于FPGA的應用方式太多，所以供應商經(jīng)常為最好的場(chǎng)景設計電源分配方案。如果你的設計要充分發(fā)揮I/O功能，比方使用數量很多的快速同時(shí)開(kāi)關(guān)輸出，那么你可能需要“減少”實(shí)際可以使用的引腳數量。盡量減小驅動(dòng)和壓擺率設置通常是一個(gè)好主意。設計軟件也可能幫助進(jìn)行SSN分析。我認為減小SSN的一個(gè)技巧是將未用引腳連接到地，然后在設計文件中將它們設置為輸出，驅動(dòng)‘0’。這些引腳將被用作偽地引腳，雖然質(zhì)量沒(méi)有真實(shí)地好。

交付

現在是將凝聚了你心血的產(chǎn)品交付給PCB版圖設計的時(shí)候了。這里我不想深入討論PCB設計(可以參考下面給出的一些文章)，但會(huì )指出針對FPGA設計需要考慮的一些事項。

堆疊設計對任何復雜的電路板來(lái)說(shuō)都很重要，而在最復雜的電路板中通常都能找到FPGA的身影。隨著(zhù)500引腳芯片被認為是“中等規模”以及不斷縮小的引腳間距，你可能需要十分留意走線(xiàn)逃逸圖案、焊盤(pán)中的過(guò)孔、引腳區域內的去耦電容以及電源與地平面。一定要有創(chuàng )造性。必要時(shí)可以分割電源平面(當然要避免高速走線(xiàn))。如果足夠小心，一些電源連接(通常是局部的電源，如PLL電源)可以放在信號層上。將一些關(guān)鍵平面和信號放在最靠近FPGA的層。留意一些專(zhuān)門(mén)的版圖建議，比如針對DRAM的一些建議。

成功!