基于高端FPGA的IC验证平台的PI分析

1 引言
大多数非FPGA类型的、高密度IC(如CPU)对去耦电容都有非常明确的要求。由于这些器件仅为执行特定的任务而设计，所以其电源电流需求是固定的，仅在一定范围内有所波动。

然而，FPGA不具备这种属性。对于一个设计好的FPGA系统平台，在综合时，可以按设计需要的频率，跨越多个时钟域，运行几乎无限多的应用。由于无法确知一个新的FPGA设计的瞬态电流的变化情况，在设计FP-GA系统硬件平台的电源分配系统时，唯一的选择就是采用保守的最坏情况设计法。

在低噪声或高功率情况下，电源去耦网络必须根据瞬态电流的需求准确地度身定制，否则，接地反弹和电源噪声将超出FPGA的电平限值。高速电路的性能很大程度取决于电源分配系统能否提供稳定、安静的电源电压和电流。凭经验的设计电容去耦网络，经常造成欠设计(引起EMI和稳定性问题)或过设计(增加系统的成本和复杂度)。因此，在设计系统平台时，利用电源完整性仿真软件，对去耦网络以及电源、地平面对(Power-Ground Plane pair)进行仿真，通过修正电容数量和额定值，调整电容的布局，可以很好地避免欠设计或过设计，使系统目标阻抗满足要求。本文以基于Xilinx公司的Virtex-4芯片的IC验证平台为例，介绍了电源完整性仿真分析方法在电源分配系统中的应用。

2 FPGA平台的电平及要求

系统采用的FPGA是V4XC4VLX160-FF1513，具有16个I／O Bank。FPGA所使用的电源有：Vc-CINT、VCCO、VCCAUX以及VREF。每个I／O可以支持的电平有：1.2V、1.5V、1.8V、2.5V以及3.3v。由VCCO来决定所在Bank I／O的电平标准。从芯片的用户手册可以获得SSO(Simultaneous Switching Out-put，同步开关输出)限定信息(见表1、表2)，来确定该器件所使用的VCCO管脚数量。

在本文设计了5.0V、数字3.3V、数字2.5V、数字1.8V、数字1.2V五个电源分配系统。如下以数字3.3V为例，介绍采用Cadence公司的PCB PI软件的仿真分析方法。