FPGA 電路動(dòng)態(tài)老化技術(shù)研究

　　5 FPGA動(dòng)態(tài)老化板的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)以上討論的配置原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了XQV100型FPGA 電路動(dòng)態(tài)老化板，如圖3 所示。配置模式采用主串方式（Master Serial Mode），這種配置模式有利于簡(jiǎn)化PCB 的設(shè)計(jì)，并且主串模式的配置時(shí)鐘源于FPGA內(nèi)部，不需要外部另外再提供。為了使FPGA電路工作在主串模式，電路的M1、M2、M3 引腳都應(yīng)接地。同時(shí)，該模式下的外部配置存儲(chǔ)器需要選用串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇鎯?chǔ)器，在這里我們選用Xilinx公司的xcf02s 存儲(chǔ)器，內(nèi)部存儲(chǔ)容量最大可達(dá)2 Mbit。

　　FPGA電路動(dòng)態(tài)老化板采用400mm×400mm的雙層PCB 板，在設(shè)計(jì)老化板時(shí)采用去耦及高、低頻RC濾波，對(duì)直流電源和信號(hào)源采取限流措施。每塊老化板上設(shè)計(jì)4 個(gè)老化工位，為了便于在線調(diào)試電路，每個(gè)工位由一個(gè)XCF02S、一個(gè)JTAG 接口、一個(gè)XQV100 組成。FPGA 芯片動(dòng)態(tài)配置的邏輯程序放置于xcf02s Flash存儲(chǔ)器中。FPGA動(dòng)態(tài)老化的配置程序采用VHDL 語(yǔ)言編寫，采用ISE（V9.1）工具進(jìn)行綜合，利用ModelSim（V6.0）進(jìn)行功能模擬，其具體功能是把全部輸入、輸出管腳分五組，每組都實(shí)現(xiàn)32 分頻功能，每組由外部提供一個(gè)1MHz 的方波信號(hào)作為輸入。計(jì)算機(jī)通過(guò)Xilinx 專用的JATG 下載線將編譯過(guò)的配置程序下載到xcf02s 電路中。當(dāng)FPGA電路上電時(shí)，xcf02s 中的配置程序自動(dòng)按照串行的方式下載到FPGA 的內(nèi)部RAM存儲(chǔ)器中，F(xiàn)PGA 按照程序的功能運(yùn)行。每個(gè)電路選擇一個(gè)輸出端口，輸出頻率在1Hz 左右，在外部連接一個(gè)LED 燈作為輸出監(jiān)控，在老化的過(guò)程中可通過(guò)該燈觀察電路是否正常工作。

圖3 FPGA 電路動(dòng)態(tài)老化板原理圖

　　6 結(jié)果與分析

　　我們以XQV100 型FPGA電路為例，進(jìn)行動(dòng)態(tài)老化和靜態(tài)老化對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)條件選擇溫度為125℃，時(shí)間160h。隨機(jī)抽樣60 只常溫測(cè)試合格電路，各取30 只分別按照動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)方法和靜態(tài)老化試驗(yàn)方法進(jìn)行老化。在動(dòng)態(tài)老化通電時(shí)，確保每只電路都有輸出；靜態(tài)老化試驗(yàn)時(shí)，確保電源電壓輸入正確。每1h 記錄一次，確認(rèn)是否有老化異常情況。

　　電路在經(jīng)過(guò)26h 后，其中有1 只（6#）電路LED不閃爍，初步懷疑已經(jīng)失效，但并沒有立即取出，和其他電路一樣經(jīng)過(guò)160h 老化，經(jīng)過(guò)126h 后21# 電路的LED 不閃爍，同樣繼續(xù)陪試。在老化試驗(yàn)結(jié)束后96h內(nèi)完成了所有電路的常溫電測(cè)試，發(fā)現(xiàn)6# 和21# 電路功能失效，其余電路都合格，具體情況詳見表1。

表1 動(dòng)態(tài)老化和靜態(tài)老化比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果

　　動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)方法和靜態(tài)老化試驗(yàn)方法相比，動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)在通過(guò)外圍配置電路的程序驅(qū)動(dòng)，使電路的內(nèi)部功能模塊一直處于高速的工作狀態(tài)，相反靜態(tài)老化時(shí)雖然有電壓加載，但沒有配置程序驅(qū)動(dòng)電路工作，內(nèi)部模塊并一直處于空閑狀態(tài)，因此FPGA 電路在動(dòng)態(tài)老化時(shí)，所受到的應(yīng)力條件更加嚴(yán)酷，更容易暴露電路本身潛在的缺陷，從而提高了電路本身的可靠性。

　　7 結(jié)束語(yǔ)

　　目前，國(guó)內(nèi)進(jìn)行FPGA 電路的老化大部分還是采用靜態(tài)老化試驗(yàn)方法。特點(diǎn)是電路老化時(shí)不工作，內(nèi)部門陣列不翻轉(zhuǎn)，老化過(guò)程中無(wú)法判斷電路是否有異常。FPGA電路動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)方法的實(shí)現(xiàn)解決了這些問(wèn)題，增加了輸出監(jiān)測(cè)點(diǎn)，保證了電路老化過(guò)程無(wú)異常，從而提高了電路的可靠性。

　　本文通過(guò)對(duì)FPGA 電路加載配置過(guò)程的流程和原理進(jìn)行研討，設(shè)計(jì)了FPGA 電路動(dòng)態(tài)老化的試驗(yàn)方法，并在工程實(shí)踐中得到了成功的實(shí)現(xiàn)和運(yùn)用。

　　雖然這里設(shè)計(jì)的電路和配置過(guò)程針對(duì)Xilinx 公司的Qpro Virtex Hi-Rel 系列XQV100電路，但是對(duì)其他系列和其他公司FPGA 的動(dòng)態(tài)配置也有參考作用。本方法雖然實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)老化的目的，但還是存在著缺陷：現(xiàn)有FPGA電路的內(nèi)部門數(shù)已經(jīng)超過(guò)了100萬(wàn)門，一般的配置程序只能占用FPGA 電路的部分內(nèi)部資源，并且用到的D 觸發(fā)器多了，則移位寄存器就少，通常是顧此失彼，因此要做到100%的動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)還存在著一定的困難。