Xilinx Kintex-7 电源稳定性调试心得（私人总结版）

本文为明德扬原创文章，转载请注明出处！作者：郑先生

Xilinx KC705 开发套件

Xilinx XC7K325T是Kintex-7系列其中一个型号，拥有326K逻辑单元和407K CLB触发器，IO资源也达到了500个单端IO，240对差分对。

公司最近在搞的信号采集处理项目就用了这款FPGA，采集模块部分采用14位、500 MSPS LVDS、双通道模数转换器（用的是ADI的AD9684，并行14位LVDS接口，DDR模式）

AD9684

PS：此ADC功能很强大，可说是数字通信接收机的利器，哈哈，后续有机会跟大家介绍此ADC的调试心得。

调试过程很漫长，由于板卡的稳定性一直存在问题，FPGA发热异常，调试经常遇见莫名其妙的Bug，由于最终采集处理后的数据通过千兆以太网发出，数据给予到上位机进行进一步处理，因此千兆以太网PHY芯片采用的是88E1111,它支持RGMII,GMII,SGMII等接口与MAC层连接，相信大家都不会陌生，Marvell 88E1111 PHY芯片价格还是挺高的，但是功能也确实强大。

Marvell 88E1111

值得一提的是88E1111的MDI线与网口变压器连接时，中心抽头需要接VCC，因为88E1111是电流驱动型IC。

参考接法

至于采用的电源多大，与所用PHY芯片有关，这里不再赘述。 调试过程中，千兆网口经常出现连接断开的现象，网口变压器异常发热，排查问题时发现88E1111芯片内核电源纹波异常，1.0V的电源，纹波达到了200mV。有意思的是，该电源轨与FPGA 内核电源轨，用的VRM是同一个，所以K7的内核电源的纹波也达到了200mV左右，也就是误差达到了±10%，这是不能接受的。至此我们一度怀疑采集处理后数据的错误是因为该电源的容差过大，导致内部逻辑形成保持时间故障。(事实上后续调试证实是时序约束问题，这里可以建议大家学习一下明德扬的时序约束课程，国内少有的)

Xilinx 数据手册上指出内核电源的为1.0V

由数据手册可以知道，内核电源需要1V±30mV，很显然该VRM是不满足要求的。电源IC是来自于TI 的开关稳压器TPS54620 同步buck 6A输出，测试时发现其SW端波形异常，明显能看出High side 出现突然关断，Low side 在High side 关断后未导通。

初步判定以为是bootstrap 电路出现问题，认为尖峰噪声导致boot电容击穿，然而现实是残酷的，更换boot电容后波形仍然未改变。题主陷入盲目，对补偿电路进行试错法调试，调整芯片本振频率，结果仍然一样。无奈之下，静下心来继续研究数据手册

TPS54620 内部框图

冷静下来分析了该芯片的内部框图，发现其High side 与low side 都有电流环路，认为是电流环路起作用了。但是什么原因导致电流环路起作用，此时题主一头雾水，虽以前设计过与调试过低压大电流的电源模块，但更多是按照数据手册的指引进行设计，下载原厂提供的spice模型进行参数验证（很多时候照搬参考设计并不能适合每个板卡，没有设备的情况下我都是选择仿真验证）。对该VRM的电路参数进行了一次排查，发现电感选用的是线艺的MSS6132-103ML_ ，这就存在很大问题了，该电感的饱和电流只有1.6A左右!!

这个电流真的太小了，我认为根本带不动K7的内核,更不用说加个88E1111，但是口说无凭，作为技术人员，感觉可以作为自己的经验方向去调试，但是凭感觉就下结论，是万万不可为的。所以我打开Xilinx Xpower 功耗分析工具，对已经综合后的工程进行功耗分析，结果如下

                                                                                                                    Xpower 界面

分析结果显示内核电源VCCINT的总电流为2.3A，动态电流达到了2.2A，大大超过了1.6A。

至此，结论很明显是电感电流过大达到饱和，失效导致high side直通负载电流过大，电流环路起作用关闭high side 。然后话不多说，直接更换饱和电流更大，感量较低的电感，输出电容Cout增加一个100uF的MLCC（PS.增加电容的原因是电感改小了，这样会导致电源功率环路的LC二阶极点左移，在补偿电路为改变的前提下，可能会导致电源振荡），再次测试，SW端波形恢复正常，纹波也只有几十mV。

                                                                                                         TPS54620 PH端波形

内核电源稳定后，再次上电调试，千兆网口通讯正常，FPGA异常发热的问题也迎刃而解，我去查了Xilinx官方文献，内核电源不稳定是会造成功耗异常。建议使用模块电源。MPS，ADI，TI等厂商都有专用于7系列FPGA的电源解决方案，体积小，电流大，动态响应快，缺点相对于用PMIC解决方案就是贵。这三家中MPS的模块电源价格算比较友好了

                                                                                              MPS Kintex-7 模块电源解决方案

很多工程师都会选择开关稳压器作为FPGA板卡的VRM，这样能省不少成本，但是设计时应该考虑一下VRM的稳定性，避免板卡存在隐患，调试时也能避开许多问题。想要学习交流的同学可以留言给我，也可以联系明德扬学习更多知识！