Zynq UltraScale+系列之“电源”

由 judy 提交于周一, 29 十月 2018 - 09:24

最近一个项目开始使用Xilinx的ZU+系列MPSoC，于是对其官网上的相关文档进行了学习梳理，包括电源、时钟、复位、配置和外围接口等。

本篇就电源部分进行梳理，其他部分会在后续的文章进行梳理，如有不妥之处，敬请留言指正为谢！

1、电源概述
<center><img src="http://xilinx.eetrend.com/files-eetrend-xilinx/article/201810/13811-402…; width="670"></center>

引用UG1085中的一张图可以看出ZU+的电源还是相当复杂的，不过细细琢磨也就分为两部分：PL和PS，PL部分再细分为logic部分和GTx部分；PS部分再细分为LPD、FPD（含GTR）和公共部分（PLL、ADC、AUX）。下面是用思维导图整理的相关电源域，其中以-2E等级为参考，电流部分由于所选型号、所用资源不一，暂未统一评估，后续会进行详细评估。
<center><img src="http://xilinx.eetrend.com/files-eetrend-xilinx/article/201810/13811-402…; alt=""></center>
<center><img src="http://xilinx.eetrend.com/files-eetrend-xilinx/article/201810/13811-402…; alt=""></center>
电源相关引脚描述可参考UG1085和DS925。

2、上电时序

上面简单的概述了一下ZU+的电源域，下面就上电时序进行叙述。

PS部分和PL部分的上电时序是独立的，为了防止损坏器件，器件内部已经进行了隔离。

PS部分的LPD（Contains the ARM Cortex-R5 real-time processor unit (RPU), theplatform management unit (PMU), and the configuration security unit (CSU), aswell as the remaining on-chip peripherals.）要先于FPD（Contains the ARM Cortex-A53application processor unit (APU) as well as a number of peripherals typicallyused by the APU.）上电，或者同时上电。

LPD部分的上电顺序为：

<li>VCC_PSINTLP</li>

<li>CVCC_PSAUX, VCC_PSADC, andVCC_PSPLL in any order or simultaneously.</li>

<li>CVCCO_PSIO</li>

FPD部分的上电顺序为：

<li>VCC_PSINTFP andVCC_PSINTFP_DDR driven from the same supply source.</li>

<li>VPS_MGTRAVCC andVCC_PSDDR_PLL in any order or simultaneously.</li>

<li>VPS_MGTRAVTT andVCCO_PSDDR in any order or simultaneously.</li>

PL的逻辑部分的推荐上电时序为VCCINT,VCCINT_IO/VCCBRAM, VCCINT_VCU, VCCAUX/VCCAUX_IO, and VCCO. VCCINT_IO和VCCBRAM必须连接到一起，VCCAUX/VCCAUX_IO必须连接到一起。如果VCCINT和VCCINT_IO/VCCBRAM电压相同，可以使用同一电源并且同时上电；如果VCCAUX/VCCAUX_IO和VCCO电压相同，可以使用同一电源并且同时上电。

PL的GTx部分的推荐上电时序为VCCINT, VMGTAVCC, VMGTAVTT OR VMGTAVCC, VCCINT,VMGTAVTT. VMGTVCCAUX没有时序要求。

VMGTAVCC和VCCINT没有时序要求，可以同时上电。如果不满足时序要求，则VMGTAVTT上下电的电流可能比规范规定的高。

所有的下电时序都和上电时序相反。一般都不进行下电时序控制，如果有需要低成本的下电时序控制电路，可以参考NVIDIA的Jetson TX2的底板，本人之前就使用过这套方案进行过K7的下电时序控制，还是非常好用的，这套方案成本较低，同时考虑了外部掉电和主动关机的情况，值得参考。

上下电时序相关资料可参考DS925。

3、电流评估

Xilinx FPGA的电流评估常见的有几种方案：Xilinx自己的XPE（使用该种方式你一定会惊叹excel的强大之处！）、TI的WEBENCH（貌似只有FPGA部分，没有ARM部分）、Vivado软件、开发板等，这几种方案都可以根据自己的外设进行定制，方便灵活。

以下为XPE评估的一个样例：

PS部分的电流评估：
<div id="mytable">
<body>
<table border="1" cellpadding="0" cellspacing="0">
<tr>
<td width="87" nowrap="nowrap" height="24">Domain</td>
<td width="129" nowrap="nowrap" height="24">Source</td>
<td width="91" height="24">Voltage</td>
<td width="91" height="24">Total (A)</td>
<td width="91" nowrap="nowrap" height="24">Total</td>
</tr>
<tr>
<td width="87" nowrap="nowrap" height="23">Battery Power</td>
<td width="129" nowrap="nowrap" height="23">VCC_PSBATT</td>
<td width="91" height="23">1.200</td>
<td width="91" height="23"><0.001</td>
<td width="91" nowrap="nowrap" height="23"><0.001W</td>
</tr>
<tr>
<td width="87" rowspan="6" height="23">Low Power (Logic + IO)</td>
<td width="129" nowrap="nowrap" height="23">VCC_PSINTLP</td>
<td width="91" height="23">0.850</td>
<td width="91" height="23">0.380</td>
<td width="91" nowrap="nowrap" height="23">0.323W</td>
</tr>
<tr>
<td width="129" nowrap="nowrap" height="23">VCCO_PSIO0_500</td>
<td width="91" height="23">3.300</td>
<td width="91" height="23">0.008</td>
<td width="91" nowrap="nowrap" height="23">0.026W</td>
</tr>
<tr>
<td width="129" nowrap="nowrap" height="23">VCCO_PSIO1_501</td>
<td width="91" height="23">3.300</td>
<td width="91" height="23">0.005</td>
<td width="91" nowrap="nowrap" height="23">0.017W</td>
</tr>
<tr>
<td width="129" nowrap="nowrap" height="23">VCCO_PSIO2_502</td>
<td width="91" height="23">3.300</td>
<td width="91" height="23">0.002</td>
<td width="91" nowrap="nowrap" height="23">0.007W</td>
</tr>
<tr>
<td width="129" nowrap="nowrap" height="23">VCCO_PSIO3_503</td>
<td width="91" height="23">3.300</td>
<td width="91" height="23">0.001</td>
<td width="91" nowrap="nowrap" height="23">0.002W</td>
</tr>
<tr>
<td width="129" nowrap="nowrap" height="23">LPD Power</td>
<td width="91" valign="top" height="23"> </td>
<td width="91" valign="top" height="23"> </td>
<td width="91" nowrap="nowrap" height="23">0.375W</td>
</tr>
<tr>
<td width="87" rowspan="6" height="23">Full Power (Logic + IO)</td>
<td width="129" nowrap="nowrap" height="23">VCC_PSINTFP</td>
<td width="91" height="23">0.850</td>
<td width="91" height="23">0.867</td>
<td width="91" nowrap="nowrap" height="23">0.737W</td>
</tr>
<tr>
<td width="129" nowrap="nowrap" height="23">VCCO_PSDDR_504</td>
<td width="91" height="23">1.200</td>
<td width="91" height="23">1.107</td>
<td width="91" nowrap="nowrap" height="23">1.329W</td>
</tr>
<tr>
<td width="129" nowrap="nowrap" height="23">VPS_MGTRAVCC</td>
<td width="91" height="23">0.850</td>
<td width="91" height="23">0.284</td>
<td width="91" nowrap="nowrap" height="23">0.241W</td>
</tr>
<tr>
<td width="129" nowrap="nowrap" height="23">VPS_MGTRAVTT</td>
<td width="91" height="23">1.800</td>
<td width="91" height="23">0.042</td>
<td width="91" nowrap="nowrap" height="23">0.076W</td>
</tr>
<tr>
<td width="129" nowrap="nowrap" height="23">VCC_PSINTFP_DDR</td>
<td width="91" height="23">0.850</td>
<td width="91" height="23">1.228</td>
<td width="91" nowrap="nowrap" height="23">1.044W</td>
</tr>
<tr>
<td width="129" nowrap="nowrap" height="23">FPD Power</td>
<td width="91" valign="top" height="23"> </td>
<td width="91" valign="top" height="23"> </td>
<td width="91" nowrap="nowrap" height="23">3.427W</td>
</tr>
<tr>
<td width="87" rowspan="5" height="23">Others</td>
<td width="129" nowrap="nowrap" height="23">VCC_PSPLL</td>
<td width="91" height="23">1.200</td>
<td width="91" height="23">0.078</td>
<td width="91" nowrap="nowrap" height="23">0.094W</td>
</tr>
<tr>
<td width="129" nowrap="nowrap" height="23">VCC_PSDDR_PLL</td>
<td width="91" height="23">1.800</td>
<td width="91" height="23">0.013</td>
<td width="91" nowrap="nowrap" height="23">0.023W</td>
</tr>
<tr>
<td width="129" nowrap="nowrap" height="23">VCC_PSADC</td>
<td width="91" height="23">1.800</td>
<td width="91" height="23">0.011</td>
<td width="91" nowrap="nowrap" height="23">0.019W</td>
</tr>
<tr>
<td width="129" nowrap="nowrap" height="23">VCC_PSAUX</td>
<td width="91" height="23">1.800</td>
<td width="91" height="23">0.002</td>
<td width="91" nowrap="nowrap" height="23">0.004W</td>
</tr>
<tr>
<td width="129" nowrap="nowrap" height="23">Others Power</td>
<td width="91" valign="top" height="23"> </td>
<td width="91" valign="top" height="23"> </td>
<td width="91" nowrap="nowrap" height="23">0.140W</td>
</tr>
 
</table>
</body>
</div>

PL部分的电流评估：
<div id="mytable">
<body>
<table border="1" cellpadding="0" cellspacing="0">
<tbody>
<tr>
<td width="265" colspan="3" valign="top" height="24">Power Supply</td>
</tr>
<tr>
<td width="110" height="23">Source</td>
<td width="65" height="23">Voltage</td>
<td width="84" height="23">Total (A)</td>
</tr>
<tr>
<td width="110" valign="bottom" height="23">VCCINT</td>
<td width="65" valign="bottom" height="23">0.850</td>
<td width="84" valign="top" height="23">3.819</td>
</tr>
<tr>
<td width="110" valign="bottom" height="23">VCCINT_IO</td>
<td width="65" valign="bottom" height="23">0.850</td>
<td width="84" valign="top" height="23">0.234</td>
</tr>
<tr>
<td width="110" valign="bottom" height="23">VCCBRAM</td>
<td width="65" valign="bottom" height="23">0.850</td>
<td width="84" valign="top" height="23">0.057</td>
</tr>
<tr>
<td width="104" valign="bottom" height="23">VCCAUX</td>
<td width="65" valign="bottom" height="23">1.800</td>
<td width="84" valign="top" height="23">0.178</td>
</tr>
<tr>
<td width="110" valign="bottom" height="23">VCCAUX_IO</td>
<td width="65" valign="bottom" height="23">1.800</td>
<td width="84" valign="top" height="23">0.176</td>
</tr>
<tr>
<td width="110" valign="bottom" height="23">VCCO 3.3V</td>
<td width="65" valign="bottom" height="23">3.300</td>
<td width="84" valign="top" height="23">0.000</td>
</tr>
<tr>
<td width="110" valign="bottom" height="23">VCCO 2.5V</td>
<td width="65" valign="bottom" height="23">2.500</td>
<td width="84" valign="top" height="23">0.000</td>
</tr>
<tr>
<td width="110" valign="bottom" height="23">VCCO 1.8V</td>
<td width="65" valign="bottom" height="23">1.800</td>
<td width="84" valign="top" height="23">0.033</td>
</tr>
<tr>
<td width="110" valign="bottom" height="23">VCCO 1.5V</td>
<td width="65" valign="bottom" height="23">1.500</td>
<td width="84" valign="top" height="23">0.000</td>
</tr>
<tr>
<td width="110" valign="bottom" height="23">VCCO 1.35V</td>
<td width="65" valign="bottom" height="23">1.350</td>
<td width="84" valign="top" height="23">0.000</td>
</tr>
<tr>
<td width="110" valign="bottom" height="23">VCCO 1.2V</td>
<td width="65" valign="bottom" height="23">1.200</td>
<td width="84" valign="top" height="23">0.326</td>
</tr>
<tr>
<td width="110" valign="bottom" height="23">Vcco 1.0V</td>
<td width="65" valign="bottom" height="23">1.000</td>
<td width="84" valign="top" height="23">0.000</td>
</tr>
<tr>
<td width="110" valign="bottom" height="23">VCCADC</td>
<td width="65" valign="bottom" height="23">1.800</td>
<td width="84" valign="top" height="23">0.008</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</body>
</div>
注：我使用的是XCZU3，没有引出GTx部分。

同样可以使用TI的WEBENCH进行评估，也可以使用vivado进行预评估。

4、电源相关设计（主要是去耦电容）

PL部分电源的去耦电容根据型号不同、封装不同，具体的数量不同，具体参见UG583，也可以根据XTP427的checklist进行对照检查。

PL部分电源域主要包括：VCCINT/VCCINT_IO，VCCBRAM/VCCINT_IO，VCCAUX/VCCAUX_IO，HDIO，HPIO几组。

PS部分电源域较多，具体参见UG583，也可以根据XTP427的checklist进行对照检查。针对VCC_PSDDR_PLL和VCCINT_VCU(MPSoCEV Devices Only)还需要特殊处理。
<center><img src="http://xilinx.eetrend.com/files-eetrend-xilinx/article/201810/13811-402…; alt=""></center>
<center><img src="http://xilinx.eetrend.com/files-eetrend-xilinx/article/201810/13811-402…; alt=""></center>
<center><img src="http://xilinx.eetrend.com/files-eetrend-xilinx/article/201810/13811-402…; alt=""></center>

5、电源解决方案

5.1、Xilinx推荐的解决方案

在了解市面上常见解决方案之前，先看看Xilinx官方提供的电源解决方案，在UG583中Xilinx提供了四种解决方案：

<li>Always on: Cost optimized (-1 and -2 devices)</li>

<li>Always on: Power/efficiency optimized (-1L and -2L devices)</li>

<li>Always on: PL performance optimized (-3 devices)</li>

<li>Full power management flexibility (all devices/speed grades) </li>

并针对每一种提出了相应的解决方案，详细见后。

-----------------Always on: Cost optimized (-1 and -2 devices)--------------------------
<center><img src="http://xilinx.eetrend.com/files-eetrend-xilinx/article/201810/13811-402…; alt=""></center>
<center><img src="http://xilinx.eetrend.com/files-eetrend-xilinx/article/201810/13811-402…; alt=""></center>
<center><img src="http://xilinx.eetrend.com/files-eetrend-xilinx/article/201810/13811-402…; alt=""></center>
<center><img src="http://xilinx.eetrend.com/files-eetrend-xilinx/article/201810/13811-402…; alt=""></center>

-----------Always on: Power/efficiency optimized (-1L and -2L devices)------------
<center><img src="http://xilinx.eetrend.com/files-eetrend-xilinx/article/201810/13811-402…; alt=""></center>
<center><img src="http://xilinx.eetrend.com/files-eetrend-xilinx/article/201810/13811-402…; alt=""></center>
<center><img src="http://xilinx.eetrend.com/files-eetrend-xilinx/article/201810/13811-402…; alt=""></center>

-------------------Always on: PL performance optimized (-3 devices)------------------
<center><img src="http://xilinx.eetrend.com/files-eetrend-xilinx/article/201810/13811-402…; alt=""></center>
<center><img src="http://xilinx.eetrend.com/files-eetrend-xilinx/article/201810/13811-402…; alt=""></center>
<center><img src="http://xilinx.eetrend.com/files-eetrend-xilinx/article/201810/13811-403…; alt=""></center>

-------------Full power management flexibility (all devices/speed grades) --------
<center><img src="http://xilinx.eetrend.com/files-eetrend-xilinx/article/201810/13811-403…; alt=""></center>
<center><img src="http://xilinx.eetrend.com/files-eetrend-xilinx/article/201810/13811-403…; alt=""></center>
<center><img src="http://xilinx.eetrend.com/files-eetrend-xilinx/article/201810/13811-403…; alt=""></center>

5.2、电源厂家的解决方案

市面上ZU+的电源解决方案较多，常见的电源芯片厂家均有，出去单路输出的解决方案外，如TI、ADI（linear）、dialog、Infineon等厂家均有相应的PMIC解决方案，比较常见的ZU+的电源解决方案主要有以下几种：

<li>Dialog公司的DA9063</li>

<li>TI的TPS6508640，PMP10555、PMP11328（只有core rail）、TIDA-01480、PMP12004-HE等</li>

<li>Infineon的IRPS5401</li>

----------------------------Dialog公司的DA9063和DA9213解决方案---------------------
<center><img src="http://xilinx.eetrend.com/files-eetrend-xilinx/article/201810/13811-403…; alt=""></center>

----------------------------------TI的TPS6508640解决方案-----------------------------------
<center><img src="http://xilinx.eetrend.com/files-eetrend-xilinx/article/201810/13811-403…; alt=""></center>

-------------------------------------Infineon的IRPS5401---------------------------------------
<center><img src="http://xilinx.eetrend.com/files-eetrend-xilinx/article/201810/13811-403…; alt=""></center>

由于不同的使用情况，功耗差异较大，具体方案的选择，需根据使用的资源、封装选型等因素考虑，切记照抄照搬！

文章来源：<a href="https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU0NzE4NDY0Ng==&mid=2247483908&am…;硬件助手 </a>