Zynq UltraScale+系列之“电源”

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

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。



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:

  • VCC_PSINTLP
  • CVCC_PSAUX, VCC_PSADC, andVCC_PSPLL in any order or simultaneously.
  • CVCCO_PSIO
  • FPD部分的上电顺序为:

  • VCC_PSINTFP andVCC_PSINTFP_DDR driven from the same supply source.
  • VPS_MGTRAVCC andVCC_PSDDR_PLL in any order or simultaneously.
  • VPS_MGTRAVTT andVCCO_PSDDR in any order or simultaneously.
  • 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:

    Domain

    Source

    Voltage

    Total (A)

    Total

    Battery Power

    VCC_PSBATT

    1.200

    <0.001

    <0.001W

    Low Power (Logic + IO)

    VCC_PSINTLP

    0.850

    0.380

    0.323W

    VCCO_PSIO0_500

    3.300

    0.008

    0.026W

    VCCO_PSIO1_501

    3.300

    0.005

    0.017W

    VCCO_PSIO2_502

    3.300

    0.002

    0.007W

    VCCO_PSIO3_503

    3.300

    0.001

    0.002W

    LPD  Power

    0.375W

    Full Power (Logic + IO)

    VCC_PSINTFP

    0.850

    0.867

    0.737W

    VCCO_PSDDR_504

    1.200

    1.107

    1.329W

    VPS_MGTRAVCC

    0.850

    0.284

    0.241W

    VPS_MGTRAVTT

    1.800

    0.042

    0.076W

    VCC_PSINTFP_DDR

    0.850

    1.228

    1.044W

    FPD  Power

    3.427W

    Others

    VCC_PSPLL

    1.200

    0.078

    0.094W

    VCC_PSDDR_PLL

    1.800

    0.013

    0.023W

    VCC_PSADC

    1.800

    0.011

    0.019W

    VCC_PSAUX

    1.800

    0.002

    0.004W

    Others  Power

    0.140W

    PL部分的电流评估:

    Power Supply

    Source

    Voltage

    Total (A)

    VCCINT

    0.850

    3.819

    VCCINT_IO

    0.850

    0.234

    VCCBRAM

    0.850

    0.057

    VCCAUX

    1.800

    0.178

    VCCAUX_IO

    1.800

    0.176

    VCCO 3.3V

    3.300

    0.000

    VCCO 2.5V

    2.500

    0.000

    VCCO 1.8V

    1.800

    0.033

    VCCO 1.5V

    1.500

    0.000

    VCCO 1.35V

    1.350

    0.000

    VCCO 1.2V

    1.200

    0.326

    Vcco 1.0V

    1.000

    0.000

    VCCADC

    1.800

    0.008

    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。



    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:

  • Always on: Cost optimized (-1 and -2 devices)
  • Always on: Power/efficiency optimized (-1L and -2L devices)
  • Always on: PL performance optimized (-3 devices)
  • Full power management flexibility (all devices/speed grades)
  • 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)--------------------------




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



    -------------------Always on: PL performance optimized (-3 devices)------------------



    -------------Full power management flexibility (all devices/speed grades) --------



    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:

  • Dialog公司的DA9063
  • TI的TPS6508640,PMP10555、PMP11328(只有core rail)、TIDA-01480、PMP12004-HE等
  • Infineon的IRPS5401
  • ----------------------------Dialog公司的DA9063和DA9213解决方案---------------------

    ----------------------------------TI的TPS6508640解决方案-----------------------------------

    -------------------------------------Infineon的IRPS5401---------------------------------------

    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:硬件助手

    推荐阅读