基于CPLD 的交換機電源時序研究

徐健，吳海青，包佳立，談廣旭

（南京林業大學信息科學技術學院，江蘇南京 210037）

交換機的發展從二層交換機到三層交換機再到多層多業務交換機，交換機逐漸成為當下重要的網絡設備之一[1-2]。以太網交換機的運用場景非常廣泛，可以運用于軌道交通、工廠自動化以及物聯網通信等[3-4]。隨著軟件定義網絡（即SDN）的出現[5-6]，將網絡智能集中到控制器來提高靈活性，促進網絡自動化[7]，交換機的硬件設計也更加復雜。

交換機設計中采用國產安路CPLD 來控制FPGA 芯片、主控CPU 和高性能的可編程交換芯片的上電時序。電源模塊關系到交換機能否正常工作，復雜的集成電路芯片為降低功耗和提高運行速度，對供電電源的電壓精度要求高。大多數芯片還采用低電壓多電平分散供電，且對各電源的上電順序和各電源間上電間隔時間也有明確的要求[8]。傳統的上電時序由時序控制延遲電路來實現，容易受外界環境的影響（如溫度等），并且一旦硬件設計完成后不能進行時序的修改，缺少靈活性。采用CPLD 設計的上電時序控制更便于集成，在上電啟動速度、功耗和抗干擾方面都更具有優勢[9]。

在CPLD 的邏輯軟件設計中，使用Verilog HDL語言的狀態機編程[10-11]，實現多模塊多電源的時序控制。上電時序控制的邏輯設計采用安路EL3F15 芯片，并使用安路TD4.6.5 進行編譯綜合，Modelsim 10.5b 軟件進行仿真[12]，最終進行板上驗證。

1 電源芯片工作原理

電源芯片采用DC-DC 電源控制器，如圖1 所示，頂部反饋電阻（RFB1）和底部反饋電阻（RFB2）通過分壓來調節輸出電壓（Vo），反饋電容（Cff）與RFB1并聯，以提供額外的相位升壓并改善瞬態負載響應。使能引腳（EN）用來打開和關閉IC。電源良好狀態輸出引腳（PG）為漏極開路。將上拉電阻器從該引腳連接到VCC/LDO 或外部偏置電壓。EN 引腳連接到CPLD 的output，由CPLD 來引導芯片工作；PG 引腳連接到CPLD 的input，CPLD 接收到電源正常工作后進行下一步操作。

圖1 電源芯片原理圖

功率級的輸入電壓（PVin）在4.3～17 V 之間，外部提供的輸入電壓為12 V，精確參考電壓為0.6 V(±0.5%），通過將外部電阻從TON/MODE 引腳接地的方法，提供了從600 kHz 到2 MHz 的八個可編程開關頻率（fsw）。根據選定的fsw，為給定的輸入電壓（PVin）和輸出電壓（Vo）生成相應的控制FET 的導通時間，如式（1）所示：

其中，fsw是所需的開關頻率。在操作過程中，電源芯片監測PVin和Vo，并且自動調整開啟時間，來保持預先選擇的fsw。隨著負載電流的增加，開關頻率可以增加以補償功率損耗。默認fsw為800 kHz。

輸出電壓（Vo）的大小可以通過外部分壓器設定。將FB 電壓與0.6 V 的內部參考電壓進行比較。當輸出處于其期望值時，FB 引腳處進行分壓提供0.6 V。反饋電阻分壓的計算如式（2）所示：

如式（3）所示，可用于幫助選擇Cff和RFB1。Cff的值為100 pF 或更高，以最小化電路寄生電容的影響，其中Lo和Co組成降壓調節器的輸出LC 濾波器。

表1 列出了一些常見輸出建議的反饋系數(m)。Cff和RFB1可以在瞬態負載測試的基礎上進一步優化。

表1 反饋系數選項

2 上電時序硬件設計

在整板的設計中，系統分為多個模塊，分別為主控CPU 模塊、交換芯片模塊和FPGA 模塊。不同模塊的供電電壓和上電時序不同，同一模塊中也有嚴格的上電時序要求，混亂的上電時序會使得器件損壞。電路板內部存在著多電源的供電，如3.3 V、1.8 V、1.2 V、0.9 V 等，從開機上電、內核上電（CPU、FPGA、交換芯片）、IO 上電，整個上電的過程都有嚴格的時序控制，這個控制上電的先后順序就是上電時序。

整板的設計通過兩個PSU 電源直接連上主板，采用均流電路接法產生的輸入電壓12 V，DC-DC 電源芯片同時將12 V 轉5 V 和12 V 轉3.3 V 作為一級電。二級電通過DC-DC、LDO 電源芯片將12 V 轉為各模塊所需的電壓。為避免混亂的上電時序對器件造成不可挽回的損壞，要對各模塊上電時序進行評估設計。

2.1 CPU模塊時序設計

首先評估主控CPU 的上電時序。如圖2 所示，CPU 模塊采用ATX 時 序，通過PWR_BTN 按鍵來啟動二級電，按鍵低電平信號不低于16 ms。二級電VDD12V 供電后產生PSON 低信號傳送給CPLD。CPU12V 的硬件設計將VDD12V 接到MOSFET 的漏極，柵極接CPLD 的IO 端來控制供電。等待FPGA、交換芯片的電源全部供電后，CPLD 傳送PWR_OK上電完成信號給CPU 模塊，供電時間需要大于100 ms，用于其他模塊電源的上電準備。在所有電源供電前，各模塊處于復位狀態，CPU 接收到PWR_OK 信號后通過CB_RESET 信號結束復位。

圖2 主控CPU的上電時序

2.2 FPGA模塊時序設計

FPGA 芯片采用Xilinx Zynq UltraScale+系列，分為PS 和PL 兩部分，每部分都有單獨的上電時序要求。根據Xilinx 官方文檔，PS 部分的低功耗域（LPD）供電要早于或者與全功耗域（FPD）同時上電。通過CPLD 實現對FPGA 的多重電源配置[13]，如圖3 所示，將電壓相同并且可以同時上電的供電端使用一塊電源芯片，可以節約成本并且簡化CPLD 的邏輯代碼設計，例如VCCINT_IO,VCCBRAM 都是0.85 V 供電且可以同時供電。在FPGA 的啟動過程中首先給邏輯內核（VCCINT）供電[14]，其次再給高速收發器部分（MGT）供電，最后給IO 端（VCCO）供電。

圖3 FPGA的上電時序

2.3 交換芯片模塊時序設計

可編程交換芯片使用到PCIe、以太網高速接口收發數據包，并使用P4 語言對數據包處理系統進行編程，旨在對數據包轉發設備的數據平面進行編程[15]。交換芯片的上電時序如圖4 所示，交換芯片上電順序為SWVDD 1.8 V、SWCORE 0.75 V、SWPCIE 0.75 V、SWETH0.9V、SWETH 1.5 V、SWVDDA 1.8 V。交換芯片啟動前需要給VDD、內核供電；PCIe 接口的使用 由SWPCIE 0.75 V 供 電；SWETH 0.75 V 和SWETH 0.9 V 供以太網接口的使用；最后SWVDD 1.8 V 為PCIe、以太網、PLL 和片上傳感器提供1.8 V的模擬電源。

圖4 可編程交換芯片的上電時序

3 上電時序邏輯設計

CPLD 采用安路ELF3 系列EF3L15 芯片，EF3L15的輸入輸出緩沖器（I/O Buffer）劃分為六個組，支持單端和雙端的多種電平標準LVTTL,LVCMOS(3.3/2.5/1.8/1.2 V)[16]。上電快速啟動，可控制系統的上電、復位時序，很好地實現了多電源時序控制。

3.1 電源工作流程圖設計

交換機的電源分為一級電和二級電，插上PSU電源后，由電源將220 V 轉為12 V。VSB3.3 V 和VSB5 V 用于交換機的待機狀態，上述為交換機的一級電。二級電通過短按PWR_BTN 按鈕進行上電，二級電的電源由第2 節模塊中的多電源組成，通過編寫狀態機（FSM）完成上電時序的控制，電源工作流程如圖5 所示。

當檢測到所有電源芯片正常工作后由CPU 的CB_RESET 信號去結束所有復位；若有電源芯片未正常工作將重新執行狀態機，到此完成交換機的上電。

3.2 上電時序設計

使用Verilog 語言編程實現交換機中多電源的時序控制。DC-DC 和LDO 電源芯片通過EN 引腳來使能電源芯片的輸出，PG 引腳作為供電電路正常工作信號輸出。CPLD 發送EN 信號來驅動電源芯片，接收PG 信號確保電源芯片正常工作，從而達到精確的上電控制。CPLD 接收到所有電源芯片的PG 信號后結束外部復位。狀態機模塊的狀態設計如圖6所示。

圖6 上電時序狀態圖

狀態機一共分為12 個狀態，如表2 所示，Sby、SbyEnd 分別代表待機狀態和復位結束等待開機狀態，RST 是低電平有效的復位信號，RST 在一級電上電前保持低電平，在硬件中設計看門狗延遲電路，一級電上電200 ms 后拉高RST 信號結束復位，此時狀態機Sby 接收到RST 復位結束信號后跳轉到SbyEnd；PWR_ON 通過電源按鍵得到一個有效的高電平信號，狀態機接收到該信號后跳轉到PSOn，該狀態下產生用于開機的CPU12V，CPU12V供電完成后通過PSU_OK 的有效高電平信號進入ATX 狀態代表PSU 電源ATX 時序的結束。S1-S5五個狀態用于二級電的上電，在這五個狀態下，一旦接收到復位信號（!RST）或者關機信號（PWR_OFF），狀態都將跳轉到Sby，關機信號通過長按PWR_BTN按鈕4 s 實現。當所有電源芯片的PG 信號相與后為高，狀態機跳轉到ALLPWR 狀態，此狀態代表所有電源芯片有效輸出且工作正常，并將ALLPG 信號去點亮一個LED 燈，可以通過LED 燈的點亮或熄滅判別電源是否正常工作。CB_RESET 作為狀態機的最后一個狀態，輸出Peripheral_Reset_n 信號，通過頂層調用該信號來結束其他模塊的復位。狀態機的設計使得電源芯片在對應的狀態下完成上電，某個狀態上電完成后就會自動跳轉到下一個狀態，這種狀態機的設計靈活性高且修改方便，只需要在頂層中修改調用代碼即可實現上電時序的調整。

表2 上電時序狀態表

4 邏輯設計仿真

按照上述邏輯設計上電時序，在上板調試之前，采用了Modelsim10.5b 仿真軟件對延遲模塊、FSM 狀態機模塊進行了仿真，確保邏輯正確來避免上電風險。

4.1 延遲模塊仿真

延遲模塊的仿真圖如圖7 所示，該模塊可以被狀態機模塊調用實現延遲功能。i_clk 采用32k 時鐘頻率進行仿真；i_rst_n 為低電平有效的復位信號；i_cnt_en 為計數器計數的使能信號；i_data 為設置延遲的時間，單位為ms；o_delay_time 為延遲信號標志，初始為低電平信號，在滿足延遲時間后變為高電平；cs_dly_cnt 和ns_dly_cnt 為倒數計數器，用于計時。測試仿 真將延 時設為5 ms，即i_data=12′d5，cs_dly_cnt 和ns_dly_cnt 從17’d160 在時鐘上升沿遞減到17’d0。根據仿真結果，在i_rst_n 和i_cnt_en 上升為高電平后，經過5 ms 延遲o_delay_time 信號由低到高，實現了毫秒級延遲，仿真結果正確。

圖7 延遲模塊仿真圖

4.2 上電時序仿真

上電時序仿真如圖8 所示，在接收到PSON 低信號和ATXPG 高信號后進入到S1-S5 狀態的上電。接收到ATXPG 后產生EN_S1 使能信號來引導電源芯片工作，等待S1 狀態下的電源芯片正常工作產生的PG 信號后，狀態跳轉到S2 狀態并產生EN_S2 使能信號。隨著狀態機的狀態從S1 到S5 的逐步跳轉，S1_PWRGD～S5_PWRGD 依次被S1_EN～S5_EN 信號拉高，代表二級電的上電完成。最后所有電源供電后通過ALL_PWRGD 信號到主控CPU，CPU 發送CB_RESET 信號結束復位，同時Peripheral_Reset_n信號也被拉高。通過觀察仿真圖o_ctrl_state 信號對應的狀態跳轉，狀態機的狀態從0000-1011 依次跳轉，驗證了邏輯代碼設計的正確，確保了上板調試的安全性。

圖8 上電時序仿真圖

5 結束語

基于國產安路EL3F15 芯片,對交換機進行了上電時序控制設計，用Verilog 語言編程，對延遲模塊和上電時序的狀態機模塊進行設計，通過Modelsim進行仿真，驗證了所設計的代碼滿足各模塊的時序要求，同時也保證了上電的安全性。這種基于CPLD的上電時序控制相對傳統的硬件延遲電路，不僅外圍電路結構簡單、抗干擾能力強，而且可以通過代碼調整上電時序，靈活性高。