【博文精选】ECP5/ECP5-5G SerDes硬件设计注意事项（一）

Lattice ECP5/ECP5-5G的SerDes和前几代产品ECP3/ECP2M/SCM有较大的差异，在硬件设计时，应当注意ECP5/ECP5-5G SerDes的硬件设计需求，不可以直接照搬之前ECP3的设计，或者其他厂商的相关设计。

ECP3/ECP2M/SCM的SerDes集成了CML（Current Mode Logic）的输入输出Buffer，也就是说ECP3/ECP2M/SCM的SerDes输入输出接口都是CML的。但是ECP5/ECP5-5G的SerDes输入采用的是CML，而输出采用的是H桥结构的LVDS接口。ECP5/ECP5-5G的SerDes输入输出Buffer如下图所示：

ECP5/ECP5-5G的SerDes采用了低功耗设计，其功耗相比于ECP3等器件要低一些。ECP5的VOB/VIB电压（VCCHTX/VCCHRX）为1.1V，而ECP5-5G由于需要支持更高的速率，因此其VOB/VIB电压为1.2V。用于SerDes内部的混合信号电路供电的VCCA虽然和VOB/VIB的电压相同，但是其对电源的质量要求很高，一般建议将其与VOB/VIB电源区分开来，单独供电，比如用磁珠隔离（后面会详细地讲）。

注：需要特别注意的是，对于ECP5/ECP5-5G来说，每个DCU有两个Channel，每个Channel都有一个与之对应的VCCA。即使用户仅仅只使用了某个DCU里面的一个Channel，也需要同时对两个VCCA供电。对于不需要使用的Channel，用户可以不在逻辑中例化，或者例化后将其Power Off掉即可。

注：实际上，对于不使用的Channel，最好将所有的电源都供上，而不仅仅是VCCA。对于不使用的DCU则没有这个要求，但是仍然要求将不使用的DCU的VCCA接上。

注：对于同一个Channel，如果只是用Tx或者只是用Rx，还是建议同时对VOB和VIB供电，以抑制可能的噪声。

VCCA对电源要求很高，如果将不使用的Channel的电源引脚悬空的话，可能会带来噪声并作用到需要使用的Channel的VCCA上，进而导致SerDes工作异常。

为了保证VCCA获得稳定，干净的电源，我们建议使用LDO来驱动VCCA。但是考虑到LDO的效率和负载能力，一般建议先使用DC-DC将输入源电压将至2.5V/1.8V，再使用LDO将其转换为VCCA所需要的1.1V/1.2V。如下图所示：

对于VIB/VOB和VCC Core而言，可以使用DC-DC，但是还是推荐使用LDO。因为如果VIB/VOB上面有很大的噪声的话，也会一定程度上对VCCA造成影响。

注：需要注意的是ECP5/ECP5-5G并没有独立的VCCPLL引脚，因为ECP5/ECP5-5G的内部通用PLL直接从VCC Core上面取电了。如果VCC Core的电源不够干净的话，其带来的噪声会转嫁到PLL输出的时钟上，导致输出时钟的抖动变大。当然，对于绝大部分的应用来说，这种影响可以忽略，但是如果用户想用ECP5/ECP5-5G内部的通用PLL的输出时钟作为SerDes的参考时钟源的话，其带来的抖动可能导致SerDes内部的Tx PLL/Rx CDR失锁，甚至无法锁定！

当然，仅仅使用LDO还远远不够，用户最好使用无源滤波网络（Passive Filter Network）和磁珠将VCCA和其他电源网络完全隔离，Lattice推荐的处理方法如下（以ECP5-5G为例）：

一般建议在VCCA管脚附近出放置多个电容，并串联一个性能合适的磁珠。一般建议在每一个VCCA附件放置22pF~1000pF，10nF，100nF，1uF和10~22uF电容各一个，其中10~22uF最好使用钽电容，其他电容使用普通陶瓷电容即可。磁珠型号可选用Lattice推荐的BLM41PG471SN1L，或者性能相似的型号。BLM41PG471SN1L的主要特性可参考如下链接：https://www.murata.com/zh-cn/products/productdetail?partno=BLM41PG471SN1%23

注：一般建议将同一个DCU的两个VCCA连接到一起，不建议分开处理。如果用户坚持要将两个VCCA分开处理，并且均分别使用了磁珠隔离，那个相应的电容数量也需要增加，即每个VCCA需要一组上述的电容。这是因为，磁珠会将两个VCCA隔离成两个电源块，如果其中的一个Channel处理不当，其带来的噪声会反作用到该Channel的VCCA上，如果没有足够的电容，则会导致相邻的VCCA供电异常。举个例子，如果用户同时使用了一个DCU内的两个Channel，其中的一个Channel突然被拔掉，会导致该Channel的CDR失锁；于是CDR会立即尝试去重新锁定，则会导致该Channel的电源功率需求瞬间增加，但是由于磁珠的隔离作用，LDO并不能立即响应该Channel的功率需求。这种情况下，可能会导致相邻的VCCA供电异常。但是，如果该Channel的VCCA附近有容值较大的电容，该电容的存储的电量可以弥补该Channel的VCCA瞬间的功率需求，以解决磁珠导致的LDO输出功率响应滞后的问题。

注：用户可以参考Lattice官网上的ECP5/ECP5-5G Versa板上的SerDes电源接法。

虽然VCCA来自LDO，而LDO本身一般也不会引入较大的噪声，但是如果LDO的输入已经存在较大的噪声的话，LDO是无法抑制这些噪声的。DC-DC虽然相比于LDO有很高的功率转换效率（尤其是在输出远小于输入的情况下），但是其往往会引入较大的噪声，其中主要是DC-DC的开关噪声。

对于陶瓷电容来说，其自感系数（感应系数，Inductance）往往与其容值有直接的对应关系。因此退耦电容（Decoupling Capacitor）对应的频率带宽一般都比较窄，不同的容值匹配不同频率的电源噪声。因此，在没有准确地确认系统中所有可能存在的电源噪声（这往往也不太现实）的情况下，使用多个不同的容值的电容并联，还是非常有必要的。

注：退耦电容的有效频率带宽往往是由等效串联电阻（ESR）和其Q值（Quality Factor）共同决定的。

不同于陶瓷电容，钽电容由于其特殊的特性，往往拥有更宽的有效带宽，因此Lattice强烈建议在无源滤波网络中的10~22uF电容使用钽电容。但是相比于普通的陶瓷电容，钽电容往往体积更大，价格更高。

注：用户可以参考Lattice网站上的TN1033，High-Speed PCB Design Consideration文档，以获取更多的关于电容容值、封装和类型选取，以及PCB Layout需要注意的事项。

Lattice建议将电容放置在FPGA芯片的背面，如下图所示：