EG4系列硬件设计指南

一.序言

EG4系列FPGA硬件设计涉及多个数据手册和设计指南,为了方便开发人员快速查阅和理解硬件设计要点,本文档整合了安路科技官方发布的相关资料,包括:

本文档按照电源设计、IO设计、PCB设计、检查清单等章节组织,涵盖了硬件设计的核心要点,旨在为硬件工程师提供便捷的设计参考。

注意事项:

二.文档参考

文档名称 文档编号 适用器件 说明
EG4S20 FPGA数据手册 DS300 EG4S20 通用20K器件电气特性
EG4X20 FPGA数据手册 DS301 EG4X20 通用20K器件电气特性
EG4A20 FPGA数据手册 DS301扩展 EG4A20 通用20K器件电气特性
EG4D20 FPGA数据手册 DS302 EG4D20 合封SDRAM器件特性
EG4硬件设计指南 U303 全系列 通用设计指导

引脚映射表:

三.EG4系列器件分类

EG4系列FPGA器件根据封装和资源不同分为多个型号,所有器件均为20K逻辑资源,区别仅在于封装类型、IO数量和是否合封SDRAM。

器件系列说明

重要说明:

EG4S20系列

EG4X20系列

EG4A20系列

EG4D20系列(合封SDRAM)

EG4X15/EG4A15系列

四.EG4系列选型参考

选型建议:

  1. 逻辑资源需求: EG4系列所有器件均为20K逻辑资源(EG4X15/EG4A15为15K),根据设计需求选择合适型号
  2. IO数量需求: 根据外设接口数量选择IO充足的封装
  3. 特殊功能需求:
    • 需要高速接口(LVDS等)时,选择支持的IO Bank
    • 需要ADC功能时,确认ADC通道数和采样率要求
    • 需要大容量存储时,考虑EG4D20EG176合封SDRAM方案
    • 需要热插拔功能时,避开ADC复用引脚
  4. 封装类型: 根据PCB布局和空间限制选择合适的封装
  5. 成本考虑: 在满足需求的前提下,选择成本最优的方案

快速选型参考表:

需求场景 推荐封装 特点
需要大容量存储 EG4D20EG176 合封128Mb DDR SDRAM
需要更多IO EG4S20CG324 324引脚,IO数量最多
小尺寸空间受限 EG4X20LG144 144引脚LQFP封装
成本敏感 EG4A20NG88 / EG4S20NG88 88引脚QFN封装,成本低
通用设计 EG4A20BG256 / EG4S20BG256 / EG4X20BG256 256引脚BGA,最通用

五.电源设计

VCCIO电源设计

VCCIO为IO Bank供电电压,不同Bank可以配置不同的电压等级,以支持不同的IO标准。

电压范围:

VCCIO标准 最小值 典型值 最大值 单位
3.3V 3.135 3.3 3.465 V
2.5V 2.375 2.5 2.625 V
1.8V 1.71 1.8 1.89 V
1.5V 1.425 1.5 1.575 V
1.2V 1.14 1.2 1.26 V

设计要点:

  1. VCCIO1/VCCIO0特殊要求:
    • EG4A20BG256: VCCIO1 ≥ 下载器供电电压 (如果使用JTAG下载)
    • EG4X20BG256: VCCIO0/VCCIO1 ≥ 下载器供电电压 (如果使用JTAG下载)
    • EG4X20LG144: VCCIO2/VCCIO3 ≥ 下载器供电电压 (如果使用JTAG下载)
  2. 其他VCCIO Bank:
    • 最小值 ≥ 1.2V
    • 建议所有VCCIO Bank都供电,避免潜在漏电流风险
    • 不使用的Bank也应供电,保持IO在已知状态
  3. LVDS接口要求:
    • 使用LVDS的BANK供电电压应≥1.8V
    • 推荐使用LVDS18标准,功耗更低
  4. ADC特殊要求:
    • 无论是否使用ADC都要求ADC_VDDA与VCCIO(ADC_VDDD)同电压
    • ADC_VREF不得大于ADC_VDDA
    • 推荐ADC_VDDA与VCCIO接芯片最高电压
  5. BANK电压限制(EG4D20EG176):
    • BANK1、BANK2、BANK5、BANK6内部连在一起,必须使用相同电压
    • 电压范围为2.375V~2.625V
    • BANK3的IO电压与VCCAUX在内部连在一起,需要等于VCCAUX电压

VCCAUX电源设计

VCCAUX为芯片辅助电源,给内部逻辑供电,是芯片正常工作的关键电源。

电压范围:

参数 最小值 典型值 最大值 单位
VCCAUX 2.375 2.5/3.3 3.63 V

设计要点:

  1. 必须供电: VCCAUX是POR上电检测电源,必须连接
  2. 电压要求: ≥ 2.5V (推荐2.5V或3.3V)
  3. 接最高电压: VCCAUX应接芯片最高IO电压,以保证兼容性
  4. 纹波要求: 纹波峰峰值应小于100mV
  5. 电源引脚数量: 根据具体封装型号,参考对应的PINLIST文档

GND设计

设计要点:

  1. 接地引脚数量充足: 确保所有GND引脚都良好接地
  2. 接地完整性: 保证接地网络的低阻抗连接
  3. 接地回流路径: 为高速信号提供最短的接地回流路径
  4. EPAD接地: 对于QFP封装的EG4D20,GND_EPAD必须良好接地

电源电压范围要求

基本操作条件:

Symbol 参数 最小 典型 最大 单位
VCCAUX 辅助电源 2.375 2.5/3.3 3.63 V
VCCIO I/O供电电压@3.3V 3.135 3.3 3.465 V
VCCIO I/O供电电压@2.5V 2.375 2.5 2.625 V
VCCIO I/O供电电压@1.8V 1.71 1.8 1.89 V
VCCIO I/O供电电压@1.5V 1.425 1.5 1.575 V
VCCIO I/O供电电压@1.2V 1.14 1.2 1.26 V
VI 直流输入电压 -0.5 3.6 V
VO 输出电压 0 VCCIO V

最大绝对额定值:

Symbol 参数 最小 最大 单位
VCCAUX 辅助电源 -0.5 3.75 V
VCCIO I/O驱动供电电压 -0.5 3.75 V
VI 直流输入电压 -0.5 3.75 V
TJ 结点温度 -40 125

电源上电时序要求

上电时序:

EG4系列器件无上电时序要求,各电源可以任意顺序上电。

上电复位电压阈值:

Symbol 参数 最小 典型 最大 单位
VCC_PORUP VCC上电检测阈值 0.95 1.0 1.05 V
VCCAUX_PORUP VCCAUX上电检测阈值 2.0 2.1 2.2 V
VCC_PORDN VCC掉电检测阈值 0.9 V
VCCAUX_PORDN VCCAUX掉电检测阈值 1.9 V
VSRAM_PORDN SRAM电源掉电检测阈值 0.85 V

时序参数:

上电过程:

  1. 电源上电过程中(PhaseRAMP),所有IO处于三态
  2. 上电完成后,芯片开始配置
  3. 配置完成后,进入用户模式

电源退耦电容配置

为确保电源质量,需要为每个电源域放置一定数量和容量的退耦电容。

退耦电容数量表:

封装 VCCINT     VCCAUX     VCCIO*  
  22uF 4.7uF 0.47uF 22uF 4.7uF 0.47uF 4.7uF 0.1uF
EG4X20BG256 1 1 8 1 1 8 1 5
EG4A20BG256 1 1 8 1 1 2 1 3
EG4A20NG88 1 1 3 1 1 1 1 2
EG4X20LG144 1 1 6 1 1 4 1 2

VCCIO*对应的每个BANK都需要配置表格中对应数量和容量的退耦电容。

电容选型建议:

  1. 材质选择: 优先选择X7R、X5R材质,具有较好的温度稳定性
  2. ESR要求: 优先选择ESR小的电容,以优化PDN(电源分配网络)
  3. 布局要求:
    • 小容量电容(0.1uF, 0.47uF)靠近管脚放置
    • 大容量电容(4.7uF, 22uF)可排布在BGA外围
    • 电解电容建议放在开关电源芯片附近
  4. BGA芯片下方:
    • 尽量保证每个电源pin放置1个去耦电容
    • 小容量电容优先
  5. 过孔设计:
    • 0.1uF、0.47uF退耦电容放置于PCB板BGA对应管脚正下方
    • 大容量电容可放置在PCB正面距芯片有一定焊接安全距离的地方
    • 电源过孔、GND过孔最好开在电容焊盘侧面,保证电容等效回路最小

各封装BANK电压配置

BANK电压范围总览

根据UG303_EG4硬件设计指南,EG4系列FPGA的BANK支持以下电压范围:

电压标准 最小值 典型值 最大值 单位
3.3V 3.135 3.3 3.465 V
2.5V 2.375 2.5 2.625 V
1.8V 1.71 1.8 1.89 V
1.5V 1.425 1.5 1.575 V
1.2V 1.14 1.2 1.26 V

重要说明

各封装BANK电压特殊要求

封装型号 特殊BANK电压要求 说明
EG4A20NG88 VCCIO2、VCCIO3、VCCIO4、VCCIO7 必须使用3.3V 其他BANK ≥ 1.2V
EG4A20BG256 VCCIO1 ≥ 下载器供电电压(如使用JTAG) 其他BANK ≥ 1.2V
EG4D20EG176 BANK1、2、5、6内部相连,必须使用相同电压
BANK3电压 = VCCAUX电压
电压范围2.375V~2.625V
EG4S20NG88 VCCIO2、VCCIO3、VCCIO4、VCCIO7 必须使用3.3V 其他BANK ≥ 1.2V
EG4S20BG256 无特殊要求 所有BANK ≥ 1.2V
EG4S20CG324 无特殊要求 所有BANK ≥ 1.2V
EG4X20BG256 VCCIO0、VCCIO1 ≥ 下载器供电电压(如使用JTAG) VCCIO2 ≥ 1.5V(必须供电)
其他BANK ≥ 1.2V
EG4X20LG144 VCCIO7、VCCIO8 必须使用3.3V
VCCIO2、VCCIO3 ≥ 下载器供电电压(如使用JTAG)
其他BANK ≥ 1.2V

通用电压要求

六.IO设计

各封装统一引脚对比表

JTAG接口引脚对比

封装型号 TCK TDI TDO TMS 特殊说明
EG4A20NG88 26脚
IO_B3_3,TCK
25脚
IO_B2_3,TDI
21脚
IO_L3_2,TDO
22脚
IO_L4_2,TMS
VCCIO2/VCCIO3需=3.3V
EG4A20BG256 H3脚
IO_TCK
H4脚
IO_TDI
J4脚
IO_TDO
J5脚
IO_TMS
-
EG4D20EG176 47脚
IO_B1_3,JTAG_TCK
46脚
IO_B1_3,JTAG_TDI
43脚
IO_L5_2,JTAG_TDO
44脚
IO_L6_2,JTAG_TMS
合封SDRAM
EG4S20NG88 26脚
IO_B3_3,TCK
25脚
IO_B2_3,TDI
21脚
IO_L3_2,TDO
22脚
IO_L4_2,TMS
VCCIO2/VCCIO3需=3.3V
EG4S20BG256 C14脚
IO_B2_0,TCK
C12脚
IO_B1_0,TDI
E14脚
IO_L4_1,TDO
A15脚
IO_L5_1,TMS
-
EG4S20CG324 需查PINLIST 需查PINLIST 需查PINLIST 需查PINLIST -
EG4X20BG256 C14脚
IO_TCK_0
C12脚
IO_TDI_0
E14脚
IO_TDO_1
A15脚
IO_TMS_1
-
EG4X20LG144 43脚
IO_TCK
42脚
IO_TDI
34脚
IO_TDO
35脚
IO_TMS
VCCIO3需与下载器电压一致

JTAG引脚上下拉要求

Flash配置引脚对比

模式选择引脚(M0/M1)
封装型号 M0 M1 模式选择说明
EG4A20NG88 83脚
IO_T4_8,M0
84脚
IO_T5_8,M1
支持4种模式
EG4A20BG256 N11脚
IO_M0
N11脚
IO_M1
支持4种模式
EG4D20EG176 169脚
IOT_4_8,M0
170脚
IO_T5_8,M1,ADC_CH_0
支持4种模式
EG4S20NG88 83脚
IO_T4_8,M0
84脚
IO_T5_8,M1
支持4种模式
EG4S20BG256 T11脚
IO_T6_2,M0
N11脚
IO_T9_2,M1,ADC_CH_0
支持4种模式
EG4S20CG324 需查PINLIST 需查PINLIST 支持4种模式
EG4X20BG256 T11脚
IO_M0_2
N11脚
IO_TE5P_M1_ADC_CH0_2
支持4种模式
EG4X20LG144 136脚
IO_M0
137脚
IO_M1
支持4种模式

配置模式电平组合(M1 M0):

SPI Flash引脚对比
封装型号 CCLK CSO_B MOSI/CSI_B MISO/DIN/D0 特殊说明
EG4A20NG88 82脚
IO_T3_8,CCLK
69脚
IO_T3_7,CSO_B
81脚
IO_T2_8,MOSI_CSI_B
80脚
IO_T1_8,D0_DIN_MISO
VCCIO2/VCCIO3需=3.3V
EG4A20BG256 H1脚
IO_CCLK
F16脚
IO_CSO
C1脚
IO_MOSI
H2脚
IO_MISO
-
EG4D20EG176 168脚
IO_T3_8,CCLK
140脚
IO_TE3N_7,CSO_B
166脚
IO_T2_8,MOSI,CSI_B
165脚
IO_T1_8,D0_DIN_MISO
合封SDRAM
EG4S20NG88 82脚
IO_T3_8,CCLK
69脚
IO_T3_7,CSO_B
81脚
IO_T2_8,MOSI_CSI_B
80脚
IO_T1_8,D0_DIN_MISO
VCCIO2/VCCIO3需=3.3V
EG4S20BG256 R11脚
IO_T7_2,CCLK
T3脚
IO_T3_2,CSO_B
T10脚
IO_T5_2,MOSI_CSI_B
P10脚
IO_T4_2,D0_DIN_MISO
-
EG4S20CG324 需查PINLIST 需查PINLIST 需查PINLIST 需查PINLIST -
EG4X20BG256 R11脚
IO_CCLK_2
T3脚
IO_CSO_B_2
T10脚
IO_MOSI_CSI_B_2
P10脚
IO_D0_DIN_MISO_2
-
EG4X20LG144 135脚
IO_CCLK
114脚
IO_CSO
133脚
IO_MOSI
132脚
IO_MISO
VCCIO2需与下载器电压一致

Flash引脚上下拉要求

其他配置引脚对比
封装型号 PROGRAM_B INIT_B/INITN/INITB DONE HSWAPEN
EG4A20NG88 67脚
IO_T1_7,PROGRAM_B
68脚
IO_T2_7,INIT_N
8脚
IO_L3_1,DONE
44脚
IO_B4_4,HSWAPEN
EG4A20BG256 H5脚
IO_PROGRAM
F4脚
IO_INIT
H14脚
IO_DONE
F17脚
IO_HSWAPEN
EG4D20EG176 134脚
IO_TE1N_7,PROGRAM_B
139脚
IO_TE3P_7,INITB
10脚
IO_L3P_1,DONE
88脚
IO_B4_4,HSWAPEN
EG4S20NG88 67脚
IO_T1_7,PROGRAM_B
68脚
IO_T2_7,INIT_N
8脚
IO_L3_1,DONE
44脚
IO_B4_4,HSWAPEN
EG4S20BG256 T2脚
IO_T1_2,PROGRAM_B
R3脚
IO_T2_2,INIT_B
P13脚
IO_L3P_1,DONE
C4脚
IO_BE26P_0,HSWAPEN
EG4S20CG324 需查PINLIST 需查PINLIST 需查PINLIST 需查PINLIST
EG4X20BG256 T2脚
IO_PROGRAM_B_2
R3脚
IO_INIT_B_2
P13脚
IO_DONE_1
C4脚
IO_BE1P_HSWAPEN_0
EG4X20LG144 110脚
IO_PROGRAM_B
113脚
IO_INIT_B
10脚
IO_DONE
12脚
IO_HSWAPEN

配置引脚上下拉要求

指示信号引脚对比

封装型号 DONE INIT_B/INITN/INITB PROGRAM_B HSWAPEN BUSY(如适用)
EG4A20NG88 8脚
IO_L3_1,DONE
68脚
IO_T2_7,INIT_N
67脚
IO_T1_7,PROGRAM_B
44脚
IO_B4_4,HSWAPEN
-
EG4A20BG256 H14脚
IO_DONE
F4脚
IO_INIT
H5脚
IO_PROGRAM
F17脚
IO_HSWAPEN
-
EG4D20EG176 10脚
IO_L3P_1,DONE
139脚
IO_TE3P_7,INITB
134脚
IO_TE1N_7,PROGRAM_B
88脚
IO_B4_4,HSWAPEN
-
EG4S20NG88 8脚
IO_L3_1,DONE
68脚
IO_T2_7,INIT_N
67脚
IO_T1_7,PROGRAM_B
44脚
IO_B4_4,HSWAPEN
-
EG4S20BG256 P13脚
IO_L3P_1,DONE
R3脚
IO_T2_2,INIT_B
T2脚
IO_T1_2,PROGRAM_B
C4脚
IO_BE26P_0,HSWAPEN
-
EG4S20CG324 需查PINLIST 需查PINLIST 需查PINLIST 需查PINLIST -
EG4X20BG256 P13脚
IO_DONE_1
R3脚
IO_INIT_B_2
T2脚
IO_PROGRAM_B_2
C4脚
IO_BE1P_HSWAPEN_0
M14脚
IO_DOUT_BUSY_1
EG4X20LG144 10脚
IO_DONE
113脚
IO_INIT_B
110脚
IO_PROGRAM_B
12脚
IO_HSWAPEN
-

指示信号功能说明

配置相关IO–JTAG

JTAG接口用于芯片配置、边界扫描和调试。

各封装JTAG引脚定义:

EG4A20NG88封装JTAG引脚

引脚号 引脚名称 方向 功能 上下拉标准
21 IO_L3_2,TDO 输出 JTAG数据输出 4.7K上拉到VCCIO
22 IO_L4_2,TMS 输入 JTAG模式选择 4.7K上拉到VCCIO
25 IO_B2_3,TDI 输入 JTAG数据输入 4.7K上拉到VCCIO
26 IO_B3_3,TCK 输入 JTAG时钟 4.7K下拉到GND

EG4D20EG176封装JTAG引脚

引脚号 引脚名称 方向 功能 上下拉标准
43 IO_L5_2,JTAG_TDO 输出 JTAG数据输出 4.7K上拉到VCCIO
44 IO_L6_2,JTAG_TMS 输入 JTAG模式选择 4.7K上拉到VCCIO
46 IO_B1_3,JTAG_TDI 输入 JTAG数据输入 4.7K上拉到VCCIO
47 IO_B1_3,JTAG_TCK 输入 JTAG时钟 4.7K下拉到GND

EG4S20BG256封装JTAG引脚

引脚号 引脚名称 方向 功能 上下拉标准
A15 IO_L5_1,TMS 输入 JTAG模式选择 4.7K上拉到VCCIO
C12 IO_B1_0,TDI 输入 JTAG数据输入 4.7K上拉到VCCIO
C14 IO_B2_0,TCK 输入 JTAG时钟 4.7K下拉到GND
E14 IO_L4_1,TDO 输出 JTAG数据输出 4.7K上拉到VCCIO

EG4X20BG256封装JTAG引脚

引脚号 引脚名称 方向 功能 上下拉标准
A15 IO_TMS_1 输入 JTAG模式选择 4.7K上拉到VCCIO
C12 IO_TDI_0 输入 JTAG数据输入 4.7K上拉到VCCIO
C14 IO_TCK_0 输入 JTAG时钟 4.7K下拉到GND
E14 IO_TDO_1 输出 JTAG数据输出 4.7K上拉到VCCIO

设计要点:

  1. 电阻配置:
    • TCK通过4.7K欧姆电阻下拉到GND
    • TDI、TDO、TMS通过4.7K欧姆电阻上拉到VCCIO
    • 在使用JTAG模式时,建议将TDI、TDO、TMS通过电阻上拉到VCCIO
  2. 电压匹配: JTAG下载时,VCCIO1/VCCIO0需要和下载器供电电压保持一致

  3. 引脚位置: 具体的JTAG引脚位置请参考对应器件的PINLIST文档

配置相关IO–Flash配置

EG4系列支持多种配置模式,可通过以下引脚进行数据加载。

配置模式:

配置模式 说明 数据位宽
SS (Slave Serial) 从动串行配置 1位
SP (Slave Parallel) 从动并行配置 8位
MP (Master Parallel) 主动并行配置 8位
MSPI 内部SPI Flash配置 1/2/4位
JTAG JTAG配置 1位

各封装Flash配置引脚定义:

EG4A20NG88封装配置引脚

引脚号 引脚名称 方向 功能 上下拉标准
44 IO_B4_4,HSWAPEN 输入 加载状态控制 4.7K下拉到GND
67 IO_T1_7,PROGRAM_B 输入 全局复位,低有效 4.7K上拉到VCCIO
68 IO_T2_7,INIT_N 输出 初始化指示,开漏输出 4.7K上拉到VCCIO
69 IO_T3_7,CSO_B 输出 SPI片选输出 4.7K上拉到VCCIO
8 IO_L3_1,DONE 输出 配置完成指示,开漏输出 4.7K上拉到VCCIO
80 IO_T1_8,D0_DIN_MISO 双向 数据/输入/MISO 4.7K上拉到VCCIO
81 IO_T2_8,MOSI_CSI_B 输入 SPI片选输入 4.7K上拉到VCCIO
82 IO_T3_8,CCLK 输入/输出 配置时钟 4.7K上拉到VCCIO
83 IO_T4_8,M0 输入 模式选择引脚0 4.7K上拉到VCCIO
84 IO_T5_8,M1 输入 模式选择引脚1 4.7K上拉到VCCIO

配置模式电平组合(EG4A20NG88): | M1(84脚) | M0(83脚) | 模式 | |————|————|——| | 0 | 0 | MSPI(主SPI) | | 0 | 1 | SS(从串行) | | 1 | 0 | MP(主并行x8) | | 1 | 1 | SP(从并行x8) |

EG4D20EG176封装配置引脚

引脚号 引脚名称 方向 功能 上下拉标准
10 IO_L3P_1,DONE 输出 配置完成指示,开漏输出 4.7K上拉到VCCIO
88 IO_B4_4,HSWAPEN 输入 加载状态控制 4.7K下拉到GND
134 IO_TE1N_7,PROGRAM_B 输入 全局复位,低有效 4.7K上拉到VCCIO
139 IO_TE3P_7,INITB 输出 初始化指示,开漏输出 4.7K上拉到VCCIO
140 IO_TE3N_7,CSO_B 输出 SPI片选输出 4.7K上拉到VCCIO
165 IO_T1_8,D0_DIN_MISO 双向 数据/输入/MISO 4.7K上拉到VCCIO
166 IO_T2_8,MOSI,CSI_B 输入 SPI片选输入 4.7K上拉到VCCIO
168 IO_T3_8,CCLK 输入/输出 配置时钟 4.7K上拉到VCCIO
169 IOT_4_8,M0 输入 模式选择引脚0 4.7K上拉到VCCIO
170 IO_T5_8,M1,ADC_CH_0 输入 模式选择引脚1 4.7K上拉到VCCIO

配置模式电平组合(EG4D20EG176): | M1(170脚) | M0(169脚) | 模式 | |————|————|——| | 0 | 0 | MSPI(主SPI) | | 0 | 1 | SS(从串行) | | 1 | 0 | MP(主并行x8) | | 1 | 1 | SP(从并行x8) |

EG4S20BG256封装配置引脚

引脚号 引脚名称 方向 功能 上下拉标准
C4 IO_BE26P_0,HSWAPEN 输入 加载状态控制 4.7K下拉到GND
N11 IO_T9_2,M1,ADC_CH_0 输入 模式选择引脚1 4.7K上拉到VCCIO
P10 IO_T4_2,D0_DIN_MISO 双向 数据/输入/MISO 4.7K上拉到VCCIO
P13 IO_L3P_1,DONE 输出 配置完成指示,开漏输出 4.7K上拉到VCCIO
R11 IO_T7_2,CCLK 输入/输出 配置时钟 4.7K上拉到VCCIO
R3 IO_T2_2,INIT_B 输出 初始化指示,开漏输出 4.7K上拉到VCCIO
T10 IO_T5_2,MOSI_CSI_B 输入 SPI片选输入 4.7K上拉到VCCIO
T11 IO_T6_2,M0 输入 模式选择引脚0 4.7K上拉到VCCIO
T2 IO_T1_2,PROGRAM_B 输入 全局复位,低有效 4.7K上拉到VCCIO
T3 IO_T3_2,CSO_B 输出 SPI片选输出 4.7K上拉到VCCIO

配置模式电平组合(EG4S20BG256): | M1(N11脚) | M0(T11脚) | 模式 | |————|————|——| | 0 | 0 | MSPI(主SPI) | | 0 | 1 | SS(从串行) | | 1 | 0 | MP(主并行x8) | | 1 | 1 | SP(从并行x8) |

EG4X20BG256封装配置引脚

引脚号 引脚名称 方向 功能 上下拉标准
C4 IO_BE1P_HSWAPEN_0 输入 加载状态控制 4.7K下拉到GND
M14 IO_DOUT_BUSY_1 输出 忙信号 4.7K上拉到VCCIO
N11 IO_TE5P_M1_ADC_CH0_2 输入 模式选择引脚1 4.7K上拉到VCCIO
P10 IO_D0_DIN_MISO_2 双向 数据/输入/MISO 4.7K上拉到VCCIO
P13 IO_DONE_1 输出 配置完成指示,开漏输出 4.7K上拉到VCCIO
R11 IO_CCLK_2 输入/输出 配置时钟 4.7K上拉到VCCIO
R3 IO_INIT_B_2 输出 初始化指示,开漏输出 4.7K上拉到VCCIO
T10 IO_MOSI_CSI_B_2 输入 SPI片选输入 4.7K上拉到VCCIO
T11 IO_M0_2 输入 模式选择引脚0 4.7K上拉到VCCIO
T2 IO_PROGRAM_B_2 输入 全局复位,低有效 4.7K上拉到VCCIO
T3 IO_CSO_B_2 输出 SPI片选输出 4.7K上拉到VCCIO

配置模式电平组合(EG4X20BG256): | M1(N11脚) | M0(T11脚) | 模式 | |————|————|——| | 0 | 0 | MSPI(主SPI) | | 0 | 1 | SS(从串行) | | 1 | 0 | MP(主并行x8) | | 1 | 1 | SP(从并行x8) |

设计要点:

  1. 引脚预留: 根据实际使用的配置模式,预留相应的配置引脚

  2. 上拉电阻: 所有配置引脚都需要4.7K上拉到VCCIO(HSWAPEN除外,需下拉到GND)

  3. 配置方式: 配置方式通过软件界面设置,下载位流时自动写入到内置Flash

  4. 特殊限制:
    • EG4A20BG256器件的CSN信号在JTAG加载模式、SS模式和MSPI模式时不能为上拉状态
    • EG4X20BG256、EG4A20NG88、EG4X20LG144器件的CSI_B引脚在JTAG加载模式、SS模式和MSPI模式时不能为上拉状态
  5. 开漏输出: DONE、INIT_B/INITN/INITB为开漏输出,必须外部上拉

配置相关IO–指示信号

配置指示信号用于指示FPGA的配置状态。

各封装配置指示引脚定义:

EG4A20NG88封装指示信号引脚

引脚号 引脚名称 方向 功能 上下拉标准
44 IO_B4_4,HSWAPEN 输入 加载状态控制 4.7K下拉到GND
67 IO_T1_7,PROGRAM_B 输入 全局复位,低有效 4.7K上拉到VCCIO
68 IO_T2_7,INIT_N 输出 初始化指示,开漏输出 4.7K上拉到VCCIO
8 IO_L3_1,DONE 输出 配置完成,开漏输出 4.7K上拉到VCCIO

EG4D20EG176封装指示信号引脚

引脚号 引脚名称 方向 功能 上下拉标准
10 IO_L3P_1,DONE 输出 配置完成,开漏输出 4.7K上拉到VCCIO
88 IO_B4_4,HSWAPEN 输入 加载状态控制 4.7K下拉到GND
134 IO_TE1N_7,PROGRAM_B 输入 全局复位,低有效 4.7K上拉到VCCIO
139 IO_TE3P_7,INITB 输出 初始化指示,开漏输出 4.7K上拉到VCCIO

EG4S20BG256封装指示信号引脚

引脚号 引脚名称 方向 功能 上下拉标准
C4 IO_BE26P_0,HSWAPEN 输入 加载状态控制 4.7K下拉到GND
P13 IO_L3P_1,DONE 输出 配置完成,开漏输出 4.7K上拉到VCCIO
R3 IO_T2_2,INIT_B 输出 初始化指示,开漏输出 4.7K上拉到VCCIO
T2 IO_T1_2,PROGRAM_B 输入 全局复位,低有效 4.7K上拉到VCCIO

EG4X20BG256封装指示信号引脚

引脚号 引脚名称 方向 功能 上下拉标准
C4 IO_BE1P_HSWAPEN_0 输入 加载状态控制 4.7K下拉到GND
M14 IO_DOUT_BUSY_1 输出 忙信号 4.7K上拉到VCCIO
P13 IO_DONE_1 输出 配置完成,开漏输出 4.7K上拉到VCCIO
R3 IO_INIT_B_2 输出 初始化指示,开漏输出 4.7K上拉到VCCIO
T2 IO_PROGRAM_B_2 输入 全局复位,低有效 4.7K上拉到VCCIO

设计要点:

  1. 外部上拉要求: DONE/INIT_B/INITN/INITB是带内部弱上拉的开漏输出,但为避免外部电源不稳造成芯片循环重启,要求通过电阻上拉到VCCIO

  2. 信号复用: PROGRAM_B、INIT_B、DONE这些配置指示引脚的复用可能会导致重新加载等问题
    • 不建议复用为输入管脚
    • 可以复用为输出管脚使用
  3. 配置逻辑:
    • PROGRAM_B: 拉低触发FPGA重新配置
    • INIT_B/INITN/INITB: 输出高表示FPGA准备好配置,输出低表示配置错误
    • DONE: 输出高表示配置成功完成
  4. HSWAPEN引脚: 加载状态控制引脚,低电平有效,需4.7K下拉到GND

配置IO在上电阶段的状态

FPGA在上电后,配置IO的状态取决于器件类型和配置参数。

非配置相关IO状态:

  1. 上电完成后,feature寄存器加载前: 非配置相关IO处于三态
  2. 加载过程中: 普通IO的状态受HSWAPEN控制,可以为弱上拉或者三态
  3. 进入用户模式后:
    • 用户使用的IO脚状态受代码控制
    • 未使用的管脚为弱上拉状态

配置相关IO状态:

Pin Pre-configuration   Post-configuration
  HSWAPEN=0(enable) HSWAPEN=1(disable)  
MSEL[2:0]/M[1:0] Pull-up to Vccio Pull-up to Vccio User I/O
PROGRAMN/PROGRAM_B Pull-up to Vccio Pull-up to Vccio 软件 ProgPin设置
INITN/INIT_B Pull-up to Vccio Pull-up to Vccio 软件 InitPin设置 / User I/O
DONE Pull-up to Vccio Pull-up to Vccio 软件 DonePin设置
CCLK Pull-up to Vccio Pull-up to Vccio 软件 SpiPin设置
CSN/CSI_B Pull-down to Gnd Pull-down to Gnd User I/O / 软件 SpiPin设置
TMS TCK TDO TDI Pull-up to Vccio Pull-up to Vccio 软件 JtagPin设置
D[7:0] Pull-up to Vccio Pull-up to Vccio User I/O
CSON/DOUT Pull-up to Vccio Pull-up to Vccio User I/O
HSWAPEN Pull-up to Vccio Pull-up to Vccio User I/O
Others Pull-up to Vccio High-Z User I/O

特殊IO状态:

EG4D20EG176器件的以下引脚如果在代码中设置为output或inout类型,在加载时不能一直保持高阻态,会输出高脉冲或者低脉冲信号。如果用户在加载时对引脚状态有要求,需要尽量避开这些引脚,或是通过软件设置进行规避:

单端IO电气特性

直流电气特性:

Symbol 参数 条件 最小 典型 最大 单位
I_IL, I_IH 输入漏电电流 0 ≤ VI ≤ VCCIO - 0.5V -15 15 uA
I_IH 输入漏电电流 VCCIO - 0.5V ≤ VI ≤ VIH_MAX 150 uA
V_HYST 施密特触发器输入迟滞电压 VCCIO = 3.3V 350 mV
    VCCIO = 2.5V 260 mV
    VCCIO = 1.8V 130 mV
I_PU I/O 弱上拉电流 35 250 uA
I_PD I/O 弱下拉电流 35 250 uA

单端IO电压标准

输出电压标准:

标准 V_IL (V) V_IH (V) V_OL 最大 (V) V_OH 最小 (V) I_OL (mA) I_OH (mA)
LVTTL33 -0.3 0.8 2.0 0.4 4 -4
LVCMOS33 -0.3 0.8 2.0 0.4 8 -8
          12 -12
          16 -16
LVCMOS25 -0.3 0.7 1.7 0.4 4 -4
          8 -8
          12 -12
          16 -16
LVCMOS18 -0.3 0.35 × VCCIO 0.65 × VCCIO 0.4 4 -4
          8 -8
          10 -10
LVCMOS15 -0.3 0.35 × VCCIO 0.65 × VCCIO 0.4 4 -4
          8 -8
LVCMOS12 -0.3 0.35 × VCCIO 0.65 × VCCIO 0.4 4 -4

单端IO输入兼容性

输入标准与VCCIO兼容性:

输入标准 VCCIO (典型值)        
  3.3V 2.5V 1.8V 1.5V 1.2V
LVTTL33
LVCMOS33
LVCMOS25
LVCMOS18  
LVCMOS15    
LVCMOS12      

热插拔特性

热插拔规格:

Symbol 参数 最大 单位
IIOPIN(DC) DC电流,每个I/O 1 mA
IIOPIN(AC) AC电流,每个I/O 8 mA

器件支持情况:

器件系列 支持情况 不支持热插拔的引脚
EG4S20 部分引脚不支持 ADC与IO复用的引脚
EG4X20 部分引脚不支持 ADC与IO复用的引脚
EG4A20 部分引脚不支持 ADC与IO复用的引脚
EG4D20 部分引脚不支持 ADC与IO复用的引脚

设计要点:

  1. 信号上升时间: 热插拔信号要求上升时间≥10ns
  2. 电流限制:
    • DC电流: 每个I/O最大1mA
    • AC电流: 每个I/O最大8mA
  3. 引脚选择: 有热插拔需求时,应避开ADC复用的引脚

5V兼容输入设计

设计要点:

  1. 外部电阻: EG4系列FPGA不能直接接收5V输入,需要外部串联电阻
  2. 软件配置: 在IO Constraints中打开内部的钳位二极管,即 PCI Clamp = ON
  3. 电压限制:
    • 设计完成后,应确认电路板PAD上的电压不超过3.75V
    • 5V信号不能在进入用户模式前接入,否则要外接二极管

输入信号过冲/下冲限制

信号在跳变过程中可能会产生过冲或下冲,为保证10年使用寿命,允许的最大过冲、下冲占比如下:

10年使用寿命下允许的最大过冲、下冲占比:

VI AC Input Voltage 占高电平时间的百分比
-0.3V 100%
-0.4V 100%
-0.5V 86%
-0.6V 49%
-0.7V 28%
-0.8V 16%
-0.9V 9.23%
-1.0V 5.27%
-1.1V 3%
VCCIO+0.4 100%
VCCIO+0.5 86%
VCCIO+0.6 49%
VCCIO+0.7 28%
VCCIO+0.8 16%
VCCIO+0.9 9.23%
VCCIO+1.0 5.27%
VCCIO+1.1 3%

设计要点:

  1. 信号完整性: 确保信号边沿单调,避免过冲和下冲
  2. 周期限制: UI的周期(T)不超过20us
  3. 阻抗匹配: 通过阻抗匹配和端接来减少信号反射

差分IO设计指导

LVDS25/LVDS18接口设计

基本特性:

参数 描述 测试条件 最小 典型 最大 单位
V_IP, V_IN 输入电平 VCCIO=2.5V 0 2.4 V
    VCCIO=1.8V 0.3 1.5 V
V_ID 输入差分摆幅 |V_IP - V_IN|, RT = 100Ω 150 350 mV
V_ICM 输入共模电压 VCCIO=2.5V 0.05 2.35 V
    VCCIO=1.8V 0.6 0.9 1.4 V
RT 片内端接差分电阻 80 100 120 Ω
V_OO 标准差分输出摆幅 |V_OP - V_ON|, RT = 100Ω 150 250 mV

设计要点:

  1. True LVDS: 只有具有真差分标识的管脚对可以作为真差分对使用,支持True LVDS输出
  2. Emulated LVDS: True LVDS与Emulated LVDS均可作为LVDS25标准输入
  3. 最大输入频率: 400 MHz (800 Mbps)

直流耦合电路:

交流耦合推荐电路:

True LVDS输出:

Emulated LVDS输出:

Emulated LVDS推荐电阻值:

RS (Ω) RP (Ω) LVDSE25 (mV) LVDSE33 (mV)
300 118 195 256
210 127 270 355
150 140 365 483
115 160 460 610

布线要求:

LVPECL接口设计

设计要点:

LVPECL接口设计需要特别注意:

具体设计请参考LVPECL接口标准设计指南。

时钟IO设计

EG4系列FPGA提供多种时钟资源,包括全局时钟、区域时钟和IO时钟。

时钟资源类型:

  1. 全局时钟(GCLK): 低歪斜、驱动能力强,适用于关键时钟信号
  2. 区域时钟(RCLK): 适用于局部区域的时钟信号
  3. IO时钟(IOCLK): 适用于高速IO接口的时钟

设计要点:

  1. 时钟引脚选择: 优先使用专门的全局时钟引脚
  2. 时钟网络约束: 在约束文件中正确指定时钟引脚
  3. 时钟树约束: 对于高性能设计,需要约束时钟树

ADC引脚设计

EG4系列FPGA集成了12位SAR ADC。

ADC特性:

ADC引脚设计要点:

  1. 电源设计:
    • ADC_VDDA与对应的VCCIO必须同电压
    • ADC_VREF不得大于ADC_VDDA
    • 推荐ADC_VDDA与VCCIO接芯片最高电压
  2. 参考电压:
    • 使用内部参考电压或外部参考电压
    • 外部参考电压需要稳定
  3. 输入滤波:
    • ADC输入需要适当的RC滤波
    • 注意采样保持电路的建立时间
  4. 热插拔限制:
    • ADC与IO复用的引脚不支持热插拔
    • 有热插拔需求时,应避开这些引脚

七.封装热参数

封装热阻参数

热阻参数表:

封装型号 θJA (℃/W) θJC (℃/W) θJB (℃/W)
BG256 需查数据手册 需查数据手册 需查数据手册
NG88 需查数据手册 需查数据手册 需查数据手册
LG144 需查数据手册 需查数据手册 需查数据手册
EG176 需查数据手册 需查数据手册 需查数据手册
CG324 需查数据手册 需查数据手册 需查数据手册

热设计要点

  1. 散热设计: 根据器件功耗和热阻参数,合理设计散热方案
  2. PCB布局: 考虑散热铜箔和通孔的设计
  3. 环境温度: 确保工作环境温度在器件规格范围内
  4. 功耗评估: 准确评估器件功耗,确保结温不超过最大值

八.PCB设计指导

去耦电容布局

布局原则:

  1. 就近原则: 去耦电容应尽可能靠近对应的电源引脚
  2. 小电容优先: 小容量电容(0.1uF, 0.47uF)优先靠近引脚
  3. 大电容外围: 大容量电容(4.7uF, 22uF)可以放在BGA外围
  4. 回流路径: 保证电容的接地回路最短

电源平面设计

设计要点:

  1. 完整平面: 尽量使用完整的电源平面
  2. 多层设计: 推荐使用4层或更多层的PCB
  3. 平面分割: 避免电源平面过度分割
  4. 参考平面: 信号走线应紧邻完整的参考平面

走线处理方式

走线原则:

  1. 差分走线: 差分信号应等长、等距、紧耦合
  2. 阻抗控制: 高速信号需要控制阻抗
  3. 最小化过孔: 减少过孔数量,特别是高速信号
  4. 避免直角: 走线避免90度拐角,推荐45度或圆弧

过孔设计

过孔要点:

  1. 过孔尺寸: 根据PCB工艺选择合适的过孔尺寸
  2. 过孔数量: 在保证连接可靠的前提下,最小化过孔数量
  3. 回流过孔: 去耦电容附近应有充分的接地过孔
  4. 背钻: 高速PCB可能需要背钻工艺

九.设计检查清单

电源设计检查

IO设计检查

PCB设计检查


文档版本: 2026.01.22 参考资料: DS300、DS301、DS302、UG303