マス男の FPGA 基板製作4 『電源・GND 配線は基板の大動脈である』

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こんにちは、マス男です。

前回のコラムでは、「 Auto Detect 」で正しく JTAG 配線でき、かつ、デバイスが起動していることを確認しました。

しかし、マス男の基板はコンフィグレーションが成功する時もあれば、失敗する時もあり、動作がとても不安定だったのです。

コンフィグレーション・エラーをモニタしてみた
下記の表はハチ先輩のコラム『コンフィグレーション・シーケンス』からの引用です。

オシロスコープで nCONFIG、 nSTATUS、CONF_DONE を観測しました( 図1 )。

　　図1. コンフィグレーション・失敗のシーケンス　(右図は赤丸領域を拡大した様子)

・nCONFIG が High になるとコンフィグレーション開始です。
・nSTATUS はコンフィグレーションを監視する信号です。

図1より、 Low （失敗）と High （再実行）を繰り返し、コンフィグレーションが失敗し続けていることが分かります。

・CONF_DONE はコンフィグレーションデータ受信完了すると High になります。
　図1 より、常に Low のままで、コンフィグレーションが完了しない様子が分かります。

電源・GND 配線は基板の大動脈である

先輩「 FPGA に接続する GND の配線、細いワイヤーだな。」

マス男「細いワイヤーですけど、 GND にはちゃんとつながっていますよ？」

先輩「電源・GND 配線の電流容量が小さいと、十分な電流を流すことができないから、基板全体が正常に動作できない。電源・GND 配線は基板の大動脈だよ。」

マス男の基板裏の配線の様子です( 図2 )。
FPGA に接続されている GND の配線が細いワイヤー（青色）であり、 GND がとても弱い設計でした。

　　図2. GND が弱い様子

2倍の太さのワイヤーを使用して電流容量を大きくし、GND を強化しました( 図3 )。

　　図3. GND 強化後

GND を強化したことにより、コンフィグレーションが常に成功し、基板動作が安定しました。
図4 は GND 強化後にオシロスコープで測定したコンフィグレーション・シーケンスです。

　　図4. コンフィグレーション成功のシーケンス

図4 より、コンフィグレーションデータ受信完了できたので CONF_DONE ピンが High になった様子が分かります。

先輩「基板全体に必要な電流量を考慮して設計したの？」

マス男「電圧については FPGA の絶対最大定格が規定されているので考慮しましたが、電流については何も考えていませんでした。」

先輩「電流を考えないなんて、ダメな設計だな。基板が動くわけがないよ。」

電源・GND 配線は基板の大動脈である。
基板全体に必要な電流を供給できる電源・GND 配線を設計しなければならない。