FPGA 系统设计中的电源与时序规划技巧

更新时间：2025-12-04 09:52:01

晨欣小编

在现代电子系统中，FPGA 以高性能、强并行度和灵活逻辑资源著称。然而，要充分发挥 FPGA 的性能，仅仅依赖 RTL 逻辑设计远远不够，电源规划（Power Planning）与时序规划（Timing Planning） 是保证系统稳定、可靠、高速运行的基础工程。

本文从电源架构、稳压方案、时钟树规划、时序分析与约束设计等方面，深入解析 FPGA 系统设计中的关键技巧。

一、电源规划技巧（Power Planning）

FPGA 内部包含：逻辑单元、I/O Bank、PLL/DLL、MEM 通道、高速收发器（SerDes）、配置电路等，均需不同电压域的供电。良好的电源规划可显著提升系统可靠性与 EMI 性能。

1. 合理规划电源分组（Power Rail Grouping）

不同 FPGA 厂商电源域略有差异，但大体可分为：

电源类型	典型名称	用途	特点
核心电源	VCCINT	逻辑阵列、布线	电流大、对纹波敏感
IO 电源	VCCIO	I/O Bank	电压取决于接口标准，如 1.8/2.5/3.3 V
辅助电源	VCCAUX	PLL、配置单元	对噪声极敏感
GTP/GTX 电源	VCCGT、VCCRX	高速收发器	低噪声、小纹波
内存接口电源	VDDQ、VREF	DDR3/DDR4/LPDDR	需要严格匹配与去耦

技巧：

IO Bank 在设计初期就必须确定 Interface 电压，避免后期冲突。
高速收发器电源往往需要独立 LDO 或更干净的 DC/DC。
尽量避免不同电压 IO 随意混放，提升布局布线效率。

2. 电源启动顺序（Power Sequencing）

FPGA 通常要求核心电压、辅助电压、IO 电压按特定顺序上电，如：

VCCINT（核心）
VCCAUX（辅助）
VCCIO（I/O）

不按顺序可能导致：

配置失败
内部电路 latch-up
高速接口异常

解决方案：

使用电源时序控制器（如 TI TPSxxxx、ADI Sequencer）
使用 DC/DC 的 PG（Power Good）信号串联
采用 Supervisor 芯片监控关键电压

3. 去耦电容布局（Decoupling Strategy）

FPGA 是一个高 di/dt 器件，需要大量去耦电容：

大容量 MLCC（10–100 µF）：提供低频电流
中容量（1–4.7 µF）：抑制中频噪声
小容量（0.1 µF、0.22 µF）：抑制高频噪声
放置位置：尽量靠近电源引脚，多个电容环绕摆放

技巧：

核心电源需要最多的去耦电容
PLL 电源建议采用 LC 滤波网络隔离
高速 SerDes 电源要求特别干净，去耦数量通常 >20 颗

4. 电源完整性分析（PI Simulation）

高端 FPGA 系统应进行 PI 仿真：

验证 VRM → PCB → FPGA 的阻抗
查看电源噪声裕量
检查高速接口带来的电源扰动

工具：

Keysight PIPro
Cadence Sigrity PowerSI
ANSYS SIwave

二、时序规划技巧（Timing Planning）

时序规划是 FPGA 设计能否运行在目标频率下的核心工作。

1. 时钟规划（Clock Architecture）

FPGA 有丰富的时钟资源：

PLL / MMCM / DPLL
全局时钟网络（Global Clock）
区域时钟（Regional Clock）
IO 延迟时钟（IDELAY、ODELAY）

技巧：

高频时钟（>200 MHz）必须使用全局时钟树
I/O 接口（如 LVDS、DDR）应使用专用时钟网络
时钟跨域采用 CDC（Clock Domain Crossing）策略：FIFO、双 FF 同步

2. 关键路径规划（Critical Path Planning）

为了保证时序收敛：

尽量减少组合逻辑级数（logic level < 5）
为跨层逻辑手动加入 pipeline
将关键模块靠近放置（floorplanning）
使用 DSP、硬核 MAC 替换软逻辑

技巧：
在 RTL 阶段就预留 Pipeline，是时序成功的关键方法。

3. 时钟和复位设计（Clock & Reset Strategy）

复位信号应注意：

优先使用同步复位（Sync Reset）
复位进入 FPGA 后应重新同步
不要让复位跨域
复位去抖（特别是机械按钮）

4. 时序约束书写（XDC/SDC）

时序约束文件包括：

create_clock
set_input_delay
set_output_delay
set_false_path
set_multicycle_path
set_max_delay

技巧：

Interface 类时序约束必须根据 Datasheet 与 SI/PI 仿真结果真实填写
不要轻易用 false_path 掩盖时序问题
DDR、LVDS、MIPI 等高速接口一定要用官方提供的约束模板
进行 WNS / TNS 分析，找到最坏路径

三、板级设计注意事项

1. 布局（Floorplan）

FPGA 靠近 DDR、SerDes 连接器
高速走线最短、等长、控制阻抗
IO Bank 根据电压/接口分区摆放外围电路

2. 走线（Routing）

DDR 要求 5mil–6mil 单端 / 10mil 差分
LVDS、SerDes 要求严格阻抗控制
配置 Flash 与 FPGA 尽量靠近

3. EMI 对策

电源层压结构优化
Ground Stitching Via
多层电源平面保证回流路径

四、常见失效案例分析

失效现象	根因	解决方案
FPGA 无法配置	上电顺序不对、VCCINT 纹波过大	增加时序控制、加强去耦
DDR 数据不稳定	时钟树负载过大、布线时序不满足	调整走线、增加 pipeline
SerDes 帧错误	电源噪声、参考时钟抖动大	独立电源、低 jitter 时钟
高频时序不收敛	组合逻辑太长	增加 pipeline、优化 floorplan