CN112558669A - 一种fpga的具有自测试可调功能的分布式电源网络 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种FPGA的具有自测试可调功能的分布式电源网络，涉及FPGA技术领域，该分布式电源网络包括若干个独立的电源区域块，带隙基准模块连接各个电源区域块中的低压差线性稳压器提供参考电压，每个电源区域块中的低压差线性稳压器分别通过驱动阵列输出供电，同时各个低压差线性稳压器的电压通过测试电路引出到外部进行测试并通过微调信号产生电路进行相应的调整，分布式的供电设计有效降低单个低压差线性稳压器的电流负载，保证电源网络的稳定性，内置的测试电路和微调信号产生电路可以减小不同电源区域块之间工艺及负载造成的电压误差，解决了芯片制造工艺不断缩小和芯片规模不断增大导致的设计瓶颈，提高了芯片的可靠性和可扩展性。
Description
技术领域
本发明涉及FPGA技术领域，尤其是一种FPGA的具有自测试可调功能的分布式电源网络。
背景技术
SRAM(Static Random Access Memory，静态随机存取存储器)是一种具有静态存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据，被广泛用于FPGA存储阵列中，其中尤以如图1所示的六管结构的SRAM单元最为常见。
目前在FPGA电路中，通常使用低压差线性稳压器来实现对SRAM单元供电，低压差线性稳压器是一种输入电压大于输出电压的直流交流稳压器，它具有输出电压稳定、低输出纹波和低噪声的特点，低压差线性稳压器还具有封装体积小、外接元件少、通常只需要1～2个外接旁路电容的特点，因此被广泛应用于通讯设备、汽车电子产品、工业和医疗仪器设备。
但常见的低压差线性稳压器输出电流小，难以满足实际使用需要，而提高输出电流通常会使得寄生极点的频率变得较低，随着FPGA存储阵列规模的不断增加，以及芯片制造工艺的不断缩小，为了保证低压差线性稳压器环路稳定性，导致整个电源网络的频率补偿的难度增加，难以适应现有FPGA存储阵列的规模。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种FPGA的具有自测试可调功能的分布式电源网络，本发明的技术方案如下：
一种FPGA的具有自测试可调功能的分布式电源网络，该分布式电源网络包括带隙基准模块、测试电路、微调信号产生电路以及若干个电源区域块，每个电源区域块中分别包括低压差线性稳压器和驱动阵列；
带隙基准模块连接各个电源区域块中的低压差线性稳压器提供参考电压，每个电源区域块中的低压差线性稳压器分别通过驱动阵列连接并驱动FPGA的存储阵列的一个存储单元区域；
各个电源区域块中的低压差线性稳压器输出的电压信号通过测试电路连接FPGA的测试引脚，各个低压差线性稳压器输出的电压信号通过测试引脚引出到FPGA外部进行测试；FPGA的微调引脚通过微调信号产生电路连接到各个电源区域块中的低压差线性稳压器，微调信号产生电路根据从微调引脚输入的位流数据生成微调控制信号调节各个低压差线性稳压器输出的电压信号。
其进一步的技术方案为，每个电源区域块中的低压差线性稳压器分别包括误差放大器、开关管、固定分压电阻和可调分压电阻，工作电源、开关管、固定分压电阻和可调分压电阻依次串联后接地，误差放大器的同相输入端获取参考电压，误差放大器的输出端连接并控制开关管的通断，误差放大器的反相输入端连接固定分压电阻和可调分压电阻的公共端，开关管和固定分压电阻的公共端作为低压差线性稳压器的输出端；微调信号产生电路连接到各个电源区域块中的可调分压电阻的控制端。
其进一步的技术方案为，每个电源区域块中还包括电压缓冲器，带隙基准模块连接各个电源区域块中的电压缓冲器的同相输入端，电压缓冲器的反相输入端和输出端相连并连接至相应的低压差线性稳压器，带隙基准模块通过每个电源区域块中的电压缓冲器给低压差线性稳压器提供参考电压。
其进一步的技术方案为，各个电源区域块沿着纵向依次排布，则各个电源区域块中的电压缓冲器沿着纵向分布在电源区域块的电路中间，每个电源区域块中的驱动阵列沿着横向分布在电源区域块的电路中间。
其进一步的技术方案为，微调信号产生电路包括微电熔丝控制电路、微电可编程熔丝阵列以及存储数据读取电路，微电熔丝控制电路包括微电熔丝位线编程电路、微电熔丝字线译码电路和微电熔丝电压产生电路，微电熔丝控制电路根据接收到的位流数据对微电可编程熔丝阵列进行烧写产生并存储各个低压差线性稳压器对应的微调控制信号，存储数据读取电路从微电可编程熔丝阵列读取微调控制信号对相应的低压差线性稳压器进行微调。
其进一步的技术方案为，测试电路包括多路选择器、选择译码器和输出缓冲电路，多路选择器的各个输入端分别连接各个电源区域块中的低压差线性稳压器的输出端，多路选择器的输出端通过输出缓冲电路连接FPGA的测试引脚，多路选择器根据选择译码器输入的选择控制信号输出对应的一个低压差线性稳压器的电压信号。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种FPGA的具有自测试可调功能的分布式电源网络，该分布式电源网络根据FPGA电路存储资源的分布采用可扩展的结构，方便根据电路的设计规模进行扩展，分布式的供电设计有效降低单个低压差线性稳压器的电流负载，保证电源网络的稳定性，并通过内置测试电路实现对不同电源区域块的电源电压信号的测试，可根据测试结果对低压差线性稳压器输出电压进行微调，减小不同电源区域块之间工艺及负载造成的电压误差，解决了FPGA存储规模不断增大导致的低压差线性稳压器的设计瓶颈，提高了设计的可靠性和可扩展性。
附图说明
图1是现有的六管结构的SRAM单元的电路结构图。
图2是设置有本申请的分布式电源网络的FPGA的部分结构示意图。
图3是本申请的分布式电源网络的部分电路结构图。
图4是本申请的分布式电源网络中的测试电路的一种实现电路图。
图5是本申请的分布式电源网络中的微调信号产生电路的一种实现电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种FPGA的具有自测试可调功能的分布式电源网络，请参考图2和3，该分布式电源网络采用分布式可扩展结构，包括若干个独立的电源区域块，通常的，该分布式电源网络可以分为电路上方独立电源网络和电路下方独立电源网络，电路上方独立电源网络和电路下方独立电源网络又可以按照配置资源的分布进一步划分，比如常见的配置资源有CLB(可配置逻辑块)、DSP(数字信号处理)、Bram和IOB(可编程输入输出单元)等等。在本申请中，电路上方独立电源网络按照配置资源的分布可以划分为n个独立的电源区域块记为SRAM_TOP_0、SRAM_TOP_1……SRAM_TOP_n，同样的，电路下方独立电源网络按照配置资源的分布也可以划分为n个独立的电源区域块记为SRAM_DN_0、SRAM_DN_1……SRAM_DN_n。每个电源区域块分别对应FPGA的存储阵列的一个存储单元区域，并为对应的存储单元区域供电，电源区域块的布设根据实际FPGA电路规模进行，因此当FPGA电路规模扩大、存储阵列规模扩大时，可以通过增大n的取值设置更多的电源区域块来满足供电需要。
每个电源区域块中分别包括低压差线性稳压器1和驱动阵列2，驱动阵列2包括若干个SRAM驱动单元。除了包括若干个电源区域块之外，该分布式电源网络还包括带隙基准模块3。带隙基准模块3连接各个电源区域块中的低压差线性稳压器1提供参考电压VREF，每个电源区域块中的低压差线性稳压器1分别通过驱动阵列2连接并驱动FPGA的存储阵列的一个存储单元区域，每个电源区域块都由各自独立的低压差线性稳压器提供电压，但参考电压都来自于同一个带隙基准模块3。
可选的，每个电源区域块中还包括电压缓冲器4，带隙基准模块1连接各个电源区域块中的电压缓冲器4的同相输入端，电压缓冲器4的反相输入端和输出端相连并连接至相应的低压差线性稳压器1，带隙基准模块3通过每个电源区域块中的电压缓冲器4给低压差线性稳压器1提供参考电压，以保证大规模电路中参考电压VREF长距离传输的稳定性。
可选的，在实际应用时，各个电源区域块沿着纵向依次排布，则各个电源区域块中的电压缓冲器4沿着纵向分布在电源区域块的电路中间，每个电源区域块中的驱动阵列2沿着横向分布在该电源区域块的电路中间，如图2所示，驱动阵列2在电源区域块对应的上部分区域Region_up和下部分区域Region_down之间。
该分布式电源网络还包括测试电路5以及微调信号产生电路6，各个电源区域块中的低压差线性稳压器1输出的电压信号通过测试电路5连接FPGA的测试引脚Out1，各个低压差线性稳压器输出的电压信号通过测试引脚Out1引出到FPGA外部进行测试。FPGA的微调引脚In1通过微调信号产生电路6连接到各个电源区域块中的低压差线性稳压器1，微调信号产生电路6根据从微调引脚In1输入的位流数据生成微调控制信号调节各个低压差线性稳压器1输出的电压信号，该位流数据根据对各个低压差线性稳压器输出的电压信号的测试结果确定。
在本申请中，如图3所示，每个电源区域块中的低压差线性稳压器1分别包括误差放大器U1、开关管M7、固定分压电阻R1和可调分压电阻R2，工作电源VCC、开关管M7、固定分压电阻R1和可调分压电阻R2依次串联后接地。误差放大器U1的同相输入端获取参考电压VREF，误差放大器U1的输出端连接并控制开关管M7的通断，误差放大器U1的反相输入端连接固定分压电阻R1和可调分压电阻R2的公共端，开关管M7和固定分压电阻R1的公共端作为低压差线性稳压器1的输出端连接驱动阵列2中的SRAM驱动单元，同时该低压差线性稳压器1的输出端还连接到测试电路5。微调信号产生电路6连接到各个电源区域块中的可调分压电阻R2的控制端，从而实现对各个低压差线性稳压器1输出的电压信号的调节。
在本申请中，如图4所示，测试电路5包括多路选择器7、选择译码器8和输出缓冲电路9，多路选择器7的各个输入端分别连接各个电源区域块中的低压差线性稳压器1的输出端获取相应的电压信号，本申请将各个低压差线性稳压器1输出的电压信号记为SRAMVS_1、SRAMVS_2......SRAMVS_n。多路选择器7的输出端通过输出缓冲电路9连接FPGA的测试引脚Out1，多路选择器7根据选择译码器8输入的选择控制信号将接收到的各个低压差线性稳压器的电压信号通过输出端输出给输出缓冲电路9从而引出到FPGA外进行测试，从而可以确定各个电源区域块输出的电压信号之间的误差。
如图5所示，在本申请中，微调信号产生电路包括微电熔丝控制电路、微电可编程熔丝阵列以及存储数据读取电路，微电可编程熔丝阵列为一次性可编程存储器，微电熔丝控制电路包括微电熔丝位线编程电路、微电熔丝字线译码电路和微电熔丝电压产生电路。在芯片生产测试阶段，根据对各个低压差线性稳压器输出的电压信号的测试结果编写位流文件得到相应的位流数据，微电熔丝控制电路根据接收到的位流数据对微电可编程熔丝阵列进行烧写产生并存储各个低压差线性稳压器对应的微调控制信号，存储数据读取电路从微电可编程熔丝阵列读取微调控制信号对相应的低压差线性稳压器1进行微调，尤其是对输出的电压信号与其他电压信号误差较大的电源区域块的低压差线性稳压器1的输出进行微调并固定下来，从而可以减小甚至消除工艺造成的不同电源区域块输出的电压信号的不一致。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种FPGA的具有自测试可调功能的分布式电源网络，其特征在于，所述分布式电源网络包括带隙基准模块、测试电路、微调信号产生电路以及若干个电源区域块，每个所述电源区域块中分别包括低压差线性稳压器和驱动阵列；
所述带隙基准模块连接各个电源区域块中的低压差线性稳压器提供参考电压，每个电源区域块中的低压差线性稳压器分别通过驱动阵列连接并驱动FPGA的存储阵列的一个存储单元区域；
各个电源区域块中的低压差线性稳压器输出的电压信号通过所述测试电路连接FPGA的测试引脚，各个低压差线性稳压器输出的电压信号通过所述测试引脚引出到FPGA外部进行测试；FPGA的微调引脚通过所述微调信号产生电路连接到各个电源区域块中的低压差线性稳压器，所述微调信号产生电路根据从所述微调引脚输入的位流数据生成微调控制信号调节各个低压差线性稳压器输出的电压信号。
2.根据权利要求1所述的分布式电源网络，其特征在于，每个所述电源区域块中的低压差线性稳压器分别包括误差放大器、开关管、固定分压电阻和可调分压电阻，工作电源、开关管、固定分压电阻和可调分压电阻依次串联后接地，所述误差放大器的同相输入端获取参考电压，所述误差放大器的输出端连接并控制所述开关管的通断，所述误差放大器的反相输入端连接所述固定分压电阻和可调分压电阻的公共端，所述开关管和固定分压电阻的公共端作为所述低压差线性稳压器的输出端；所述微调信号产生电路连接到各个电源区域块中的可调分压电阻的控制端。
3.根据权利要求1或2所述的分布式电源网络，其特征在于，每个所述电源区域块中还包括电压缓冲器，所述带隙基准模块连接各个电源区域块中的电压缓冲器的同相输入端，所述电压缓冲器的反相输入端和输出端相连并连接至相应的低压差线性稳压器，所述带隙基准模块通过每个电源区域块中的电压缓冲器给低压差线性稳压器提供参考电压。
4.根据权利要求3所述的分布式电源网络，其特征在于，各个电源区域块沿着纵向依次排布，则各个电源区域块中的电压缓冲器沿着纵向分布在电源区域块的电路中间，每个电源区域块中的驱动阵列沿着横向分布在所述电源区域块的电路中间。
5.根据权利要求1或2所述的分布式电源网络，其特征在于，所述微调信号产生电路包括微电熔丝控制电路、微电可编程熔丝阵列以及存储数据读取电路，所述微电熔丝控制电路包括微电熔丝位线编程电路、微电熔丝字线译码电路和微电熔丝电压产生电路，所述微电熔丝控制电路根据接收到的位流数据对所述微电可编程熔丝阵列进行烧写产生并存储各个低压差线性稳压器对应的微调控制信号，所述存储数据读取电路从所述微电可编程熔丝阵列读取微调控制信号对相应的低压差线性稳压器进行微调。
6.根据权利要求1或2所述的分布式电源网络，其特征在于，所述测试电路包括多路选择器、选择译码器和输出缓冲电路，所述多路选择器的各个输入端分别连接各个电源区域块中的低压差线性稳压器的输出端，所述多路选择器的输出端通过所述输出缓冲电路连接FPGA的测试引脚，所述多路选择器根据所述选择译码器输入的选择控制信号输出对应的一个低压差线性稳压器的电压信号。
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