【应用】CPLD SG1128V在多电源数据处理板卡中作为上电时序管理单元，达到精准的时间控制
现在的处理器为了集成更多的功能和提高性能，大部分设计为多电压供电方式，对上电时序提出了很高的要求，这种上电时序如果只是简单采用电源的使能引脚来控制很难实现。这里采用西安智多晶的CPLD SG1128，通过外置时钟源，精准地实现复杂处理器的上电时序控制。
该项目是某研究所的数据处理板卡。处理器为国产飞腾FT2000，因为处理器是多电源供电系统，电源种类有3.3V、2.5V、1.8V、1.2V、0.8V等，而且这几种电源的上电顺序有严格要求，如果上电顺序不能满足要求，会导致处理器工作异常，严重时还可能损坏处理器。飞腾FT2000处理器的上电时序要求如下。
图1 飞腾FT2000处理器上电时序要求
比较常用的控制电源上电时序的方法是采用上一级电压的power good（PG）信号去控制下一级电源芯片的使能端。即3.3V上电完成后，其PG信号变为高，然后用PG信号去控制2.5V和1.2V的电源使能（EN），这样一级一级传递下去。如下图所示。
图2 常规电源时序控制方法
这种方式设计简单可靠。但是因为每一级电源芯片的使能都是采用阻容充放电进行延时，定时存在较大误差（实际测试这样得到的误差可能会达到计算值的1倍之多），如果用在对时序要求严格的处理器上，容易造成上电不完整，有可能造成处理器芯片的latchup（闩锁）效应，使处理器不能正常工作，甚至损坏。
为了满足飞腾处理器的上电时序要求，我们选用CPLD来控制电源的使能信号，以避免阻容方式充放电不稳定，时间精度差的问题。CPLD控制处理器电源的功能框图如下所示。
图3 CPLD电源时序控制框图
CPLD采用独立的3.3V电源进行供电，5V电源有输入时，首先转换为3.3V给CPLD供电，CPLD上电完成后，对外接的25MHz有源晶振进行分频计数，然后按照要求的时序一次给出各组电源的使能信号去控制相应的电源，从而按顺序开启各组电源提供给处理器使用。因为有源晶振的稳定性和误差非常小，所以上电的时序会得到很精确的控制。
因为需要的功能简单和国产化需求，笔者选择了西安智多晶公司的CPLD SG1128来实现该功能。SG1128的主要参数如下表所示。
SG1128的原理图设计如下所示。
图4 SG1128原理图
从上图可以看出，SG1128不但要负责电源时序控制功能（左上角5组EN引脚），同时也负责系统的复位和一些接口（如CAN、I2C、SPI等）的电平转换功能。因为飞腾处理器的所有IO都是1.8V电压，而一般外设器件的工作电压都是3.3V（图中左边BANK1的供电为3.3V，右边BANK0的供电电压为1.8V）。
原理图设计时并没有什么特殊的地方，需要注意的是时钟输入最好连接到专用的时钟输入引脚，以改善各引脚之间的时延特性。另外SG1128有些引脚为专用的输入引脚，不能作为输出使用（如12、23、27、62、73、77）。SG1128的pcb布局和设计图如下图所示。
图5 SG1128及相关器件布局图
图6 SG1128 PCB设计图
该PCB设计为14层板，图中点亮的器件即为SG1128，因为没有高速信号，所以在PCB设计时只需要把相关器件就近摆放，使走线尽量短即可。板卡的实物图如下所示。图中U17即为SG1128。
图7 SGM2526板卡实物图
经过实际测试，SG1128控制的电源上电时序如下图所示。
图8 3.3V和1.2V的控制时序图
图9 1.2V和0.8V控制时序图
图 10 0.8V和1.8V控制时序图
从上面的图上可以看出，每组电源之间的时延完全符合要求（因为延时太长，示波器测量存在误差）。不过该器件也并不完善，如上图的红框部分，在上电时，CPLD大概需要约15ms时间才能进入正常工作状态。该问题咨询了西安智多晶，厂家反馈需要在后续的产品中进行改进。因此在使用该器件时需要评估这个时间对其他器件的工作是否会造成影响。
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