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FPGA-DDRx的VTT电源设计要点

1、DDR三种系统电源

对于电源电压,DDR SDRAM系统分别需要三个电源VDDQ、VTT和VREF。

A、主电源VDD和VDDQ

主电源的要求是VDDQ=VDD,VDDQ是给IO buffer电源,VDD它是为核心供电的。但在一般使用中,它是VDDQ和VDD合成电源使用。

有些芯片也有特殊的VDDL,是给DLL供电,也和VDD使用相同的电源。

在设计电源时,需要考虑电压和电流是否符合要求。

供电顺序、供电时间、单调等。

电源电压的要求一般在±5%以内。电流需要根据使用的不同芯片,及芯片个数等进行计算。由于DDR电流一般比较大,所以PCB在设计过程中,如果管脚上有一个完整的电源平面,则是最理想的状态,并在电源入口增加电容储能,每个管脚增加100个nF~10nF小电容滤波。

在这里插入图片描述

到了DDR5,电压从1.2V变到了1.1V,下降了8.3%,这是几代人DDR自总线以来,比例下降最少。这表明电子技术的发展越来越难以设计低功耗。如此低的电压,其抗干扰设计将更加困难。对电源完整性和信号完整性的设计要求越来越严格。

B、参考电源Vref

参考电源Vref要求跟随VDDQ,并且Vref=VDDQ/2,可以由电源芯片或电阻分压提供。Vref一般电流小,有几个mA几十mA数量级,因此采用电阻分压的方式,即节约成本,布局灵活,放置离Vref管脚靠近,紧跟VDDQ因此,建议使用这种方法。应注意100分压电阻Ω10kΩ均可,需要1%精度的电阻。Vref参考电压的每根管脚需要加10nF电容滤波个分压电阻上并联一个电容器

Vref这里的电流不大。通过分压,可以选择电阻值稍大的电阻。因此,需要靠近芯片,放置线路过长,受到其他大电流信号的干扰。

C、匹配电压VTT(Tracking Termination Voltage)

VDDQ是一种高电流电源DDR芯片的核心,I/O与存储器逻辑供电,Vref它在逻辑高电平(1)和逻辑低电平(0)之间提供了一个阈值,以适应低电流和精确的参考电压I/O电源电压的变化。通过提供适应电源电压的精确阈值,VREF在正常变化下,实现了比固定阈值、终端和驱动更大的噪声裕度。

VTT提高信号质量最常见的规格是0.49到0.51倍VDDQ,VTT将电源拉到匹配电阻上,VTT=VDDQ/2。

DDR根据拓扑结构的不同,有些设计不能使用VTT,如控制器带DDR当设备较少时。如果使用VTT,则VTT电流要求比较大,需要用铜皮铺线。并且VTT要求电源既能吸电流,又能灌电流。一般情况下可以专门使用DDR设计的产生VTT满足要求的电源芯片。大多数情况下,还采用上下拉电阻来实现吸电流和灌电流的功能,即戴维南电路。

而且,每一个都拉VTT电阻旁边一般放10个nF~100nF电容,整个VTT需要有电路uF级大电容进行储能。

由于VTT电源必须在 1/2 VDDQ提供和吸收电流,因此如果不允许电源通过分流吸收电流,则不能使用标准的开关电源。此外,由于连接VTT每条数据线都有较低的阻抗,因此电源必须非常稳定。该电源中的任何噪声都将直接进入数据线。

VTT 被用来从DDR控制器IC获取电压,为数据总线和地址总线提供电源,VTT不直接应用DDR相反,在系统电源上(VTT和终端电阻集成 DDR CONTROLLER因此,不需要在电路图中额外标记。它的值通常设置大致等于VREF的值(在VREF上下0.04V随之浮动)VREF的变 化而变化。对于DDR1 SDRAM应用程序中的地址总线控制信号和数据总线信号都有端接电阻。无噪声或电压变化需要参考电压(VREF),用作DDR SDRAM输入接收器,VREF也等于1/2 VDDQ。VREF变化会影响存储器的设置和维护时间。

2.为什么需要?VTT

为了符合DDR要求并保证最佳性能,VTT和VREF为了跟踪1/2 VDDQ。

在实际电路中,对于VREF如下图所示:

电容器是去耦电容器。

DDR颗粒的接收端很特殊,是差分放大器之一PIN脚连接Vref是固定的,另一个PIN接在DDR只要比较控制器的发送端和发送端发送的信号Vref高,高于一定的门限,接受端认为1,只要比Vref低,低于一定的门限,接收端为0。我们知道DDR速率(电平切换)非常快,控制器会悬挂大量颗粒,导致总线上的电流(电荷)没有时间释放和补充,这需要VTT在VOUT高时,吸收电流,VOUT低时补充电流;

以DDR2为例,当VOUT高电平时,VOUT=1V8,VTT=0V9.当电流B呈上升趋势时,VOUT为0,VTT=0V9.电流a呈上升趋势;

一般DDR VTT拓扑结构如下图所示:

3、VTT电源工作原理

其中VFB对于电压反馈端,SW电压输出端;

结合DDR拓扑图,当VOUT在较低的情况下,由于a方向的电流呈上升趋势,电感L会产生临时,以抑制电流变化,导致VTT在电感电流等于新电流之前,电压变小,上管导通补偿电流;

当VOUT为高的时候,由于b方向的电流处于增大的趋势,电感L会产生临时的反向电动势,来抑制电流变化,这样导致VTT地方的电源变大,导致地方的电源变大Vsense变大,上管关闭,下管导通,吸收电流;

代替戴维南电路VTT

在某些设计中使用DDR在颗粒的情况下,基本不使用VTT所有电源均采用电阻上下拉的戴维南电路(用上下拉电阻代替VTT电源)只在使用内存条时使用VTT电源。上下拉电阻的电阻值需要在信号完整性模拟后确定。这个电阻通常相对较小。虽然降低了设计的复杂性,但增加了整个系统的功耗。

一般情况下,DDR数据线为一驱一拓扑结构,DDR2和DDR3内部都有ODT匹配,不需要拉VTT匹配可以获得更好的信号质量。DDR如果2的地址和控制信号线是多负载的,就会有驱多,内部没有ODT,其拓扑结构为T型结构,因此经常需要使用VTT匹配控制信号质量。DDR3可以采用Fly-by方式走线。

5、VTT电流预估

例如:VTT(0.6V)上拉电源作为地址线/控制线(共25根) ,上拉电阻39.最大电流计算公式2欧姆:(0.6V/39.2)*25 = 0.38A。

最大电流是当所有信号都是高的或低的时候,所有的信号线都是灌装电流或拉电流。如果有高有低,就会相互抵消。VTT输出电流没那么大。

文章来自网络,参考原文:为什么DDRx需要设计电源VTT电源》

标签: ddr端接电阻电流

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