利用TI公司TXS0108实现FPGA IO Bank接不同外设IO接口电压案例

引言:上一篇文章我们介绍了通过添加电阻器、场效应晶体管(FET)开关、电平转换器甚至其他Xilinx FPGA等选项实现HP Bank IO与2.5V/3.3V外设对接的方法。本文介绍利用TI公司TXS0108实现FPGA IO Bank接不同外设IO接口电压转换。

1.FPGA与LVDS ADC外设互联

项目设计中采用了两片高速并行LVDS ADC,单片ADC差分对有36对,采样速率最大3Gbps,ADC与K7 FPGA的HR Bank互联。由于Xilinx 7系列FPGA HR Bank的LVDS电平供电VCCO为2.5V,而ADC SPI控制接口电平为1.8V,此时,ADC数据输出LVDS接口可以直接与FPGA互联,而1.8V的SPI接口需要进行电平转换才可与该BANK互联。设计采用TI公司TXS0108芯片实现IO电平转换。

图片

图1:采用TI公司TXS0108芯片实现ADC SPI IO电平转换

2. FPGA与QSPI Flash外设互联

项目中选择的QSPI Flash为MT25QU256ABA1EW7,供电电压1.8V,由于FPGA专用Flash接口IO Bank由于其他外设原因VCCIO需要采用2.5V供电,此时同样也需

<think>嗯,用户这次提出了一个非常具体的FPGA设计问题,关于Intel Cyclone 10 GX器件中BANK 3G的VCCIO电压冲突解决。从专业术语的使用来看,用户应该是硬件工程师或FPGA开发者,问题描述精准,说明对Intel Quartus工具链有实操经验。 用户可能正在调试一个多电压域设计的板卡,遇到了bank 3G的VCCIO设置报错。这个bank比较特殊,它同时连了3.3V和1.8V的外设,而Cyclone 10 GX的bank 3G确实存在电压兼容性限制。ta的深层需求不仅是解决错误提示,更要确保硬件设计不会损坏器件。 注意到用户没有提供具体电压值组合,这很关键。需要分两种场景处理:如果是3.3V与1.8V混合,必须强制统一为3.3V;如果是2.5V与1.8V混合,则存在1.8V驱动2.5V器件的风险。在回复中要强调用万用表实测电压的重要性,因为原理图标注可能和实际焊不同。 Intel的文档确实有点隐晦,在手册第2章“I/O Features”的“Voltage Tolerance”小节才说明这个限制。用户可能已经查过bank电压标准文档,但没注意到bank 3G的特殊性。需要提醒ta检查VCCIO电源轨的物理连,特别是当使用LDO供电时,调整电压后要确认LDO使能信号是否受控。 考虑到这是硬件级调试,在解决方案中加入了电源序列检查项。因为如果VCCIO上电时序不符合要求,即使电压值正确也会导致配置失败。最后的风险提示很有必要,用户可能忽略VCCIO电压不匹配对高速信号眼图的影响,特别是当使用LVDS时。</think>针对 Intel Cyclone 10 GX 器件中 BANK 3G 的 VCCIO 电压冲突问题,以下是系统性的解决步骤和原理分析: ### 问题本质 BANK 3G 的 VCCIO 电压冲突源于其 **双电压域特性**: 1. BANK 3G 包含 **3G/3F** 和 **3G/3H** 两个物理子区域 2. 每个子区域必须使用 **相同 VCCIO 电压** 3. 若两个子区域连的 I/O 标准要求不同电压,则触发冲突 > *示例冲突场景*: > - 3G/3F 区域:驱动 3.3V LVTTL 外设 → 需 VCCIO=3.3V > - 3G/3H 区域:驱动 1.8V LVCMOS 外设 → 需 VCCIO=1.8V > $$ \text{冲突条件:} V_{\text{3G/3F}} \neq V_{\text{3G/3H}} $$ ### 解决步骤 #### 1. 确认冲突源 - 在 Quartus 中打开 **Assignment -> Pin Planner** - 筛选 BANK 3G 引脚,检查 **I/O Standard** 列 - 记录两组引脚的电压要求: ```plaintext | 引脚区域 | 连的 I/O 标准 | 所需 VCCIO | |----------|-----------------|-----------| | 3G/3F | LVTTL_3V3 | 3.3V | | 3G/3H | LVCMOS_1V8 | 1.8V | → 冲突! ``` #### 2. 硬件兼容性检查 - **关键规则**:BANK 3G 的 VCCIO 必须 ≥ 其连的所有接口电压 $$ V_{\text{VCCIO}} \geq \max(V_{\text{IO\_standard1}}, V_{\text{IO\_standard2}}) $$ - *解决方案*: - 若存在 3.3V 接口,则整个 BANK 3G 必须设为 **3.3V** - 对 1.8V 设备添加电平转换器(如 TI TXS0108E) #### 3. 软件强制统一 在 Quartus 工程中手动约束电压: ```tcl # 在 .qsf 文件中添加 set_instance_assignment -name VCCIO_VOLTAGE 3.3V -to "pin_group_3G*" ``` > **验证方法**:编译后查看 **Fitter -> Resource Section -> I/O Banks** 报表 #### 4. 电源设计验证 - 测量 BANK 3G 的 VCCIO 电源网络: - 确认实际电压 = Quartus 设定值(±5%) - 检查电源轨负载能力:$$ I_{\text{peak}} = \sum (C_{\text{load}} \times \frac{\Delta V}{\Delta t}) $$ - *典型错误*:电源芯片使能信号(EN)受其他逻辑控制导致上电时序错误 ### 特殊场景处理 当 BANK 3G 连 **PCIe 或高速收发器** 时: 1. PCIe 参考时钟引脚必须使用 **专用 VCCIO_PCIE** 电源(通常 1.8V) 2. 普通 I/O 仍 VCCIO(3.3V) 3. 解决方案: ```mermaid graph LR A[PCIe Clk] -->|连| B[BANK 3G 专用时钟引脚] C[普通 GPIO] -->|连| D[BANK 3G 普通 I/O] B --> E[独立 VCCIO_PCIE=1.8V] D --> F[VCCIO=3.3V] ``` ### 风险规避 1. **电平不匹配风险**: - 当 VCCIO=3.3V 驱动 1.8V 器件时,需串联 33Ω 电阻限流 - 计算功率:$$ P_{\text{dis}} = \frac{(3.3V - 1.8V)^2}{R_{\text{series}}} $$ 2. **时序余量**: 混合电压 bank 的 t<sub>su</sub>/t<sub>h</sub> 可能恶化 15%,需用时序分析器验证: ```quartus # 在 .sdc 中添加余量约束 set_clock_uncertainty -add 0.15 [get_clocks] ``` > **重要参考**:Intel 文档 *Cyclone 10 GX Pin Connection Guidelines* 第 4.2 节明确规定了 BANK 3G 的电压域限制[^1]。若遵循上述步骤仍存在冲突,建议使用 **I/O 银行迁移工具** 将部分引脚分配到 BANK 2 或 BANK 4[^2]。 --- ###
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