NXP S32G2 硬件設(shè)計(jì)篇（上）

近些年，汽車電子發(fā)展日新月異，功能越來(lái)越多，對(duì)處理器性能需求也越來(lái)越高，恩智浦新推出的高性能車輛網(wǎng)絡(luò)處理器S32G2非常適合汽車中央網(wǎng)關(guān)。本文介紹了一些在S32G2硬件設(shè)計(jì)中需要注意的一些問(wèn)題，包括電源設(shè)計(jì)、高速接口以及PCB Layout建議等。

為了能使客戶更快的熟悉并應(yīng)用S32G2，艾睿電子和恩智浦合作對(duì)該芯片進(jìn)行了深度的前期開(kāi)發(fā)，即將推出方便用戶測(cè)試的開(kāi)發(fā)套件SEED-S32G。

圖 開(kāi)發(fā)套件SEED-S32G

電源設(shè)計(jì)

S32G2芯片需要多種電源供給，包括核電源、IO電源、Fuses電源、模擬電源等，所有電源需要保證正確的供給，包括電壓、最大電流、紋波，即使電源引腳相應(yīng)功能沒(méi)有使用，也需要保證正常供給。不過(guò)如果電源引腳對(duì)應(yīng)功能沒(méi)有使用的話，相關(guān)的去耦電容可以省去。

對(duì)于S32G2的電源，建議按照官方設(shè)計(jì)選用VR5510進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣可以加快件設(shè)計(jì)，同時(shí)也可以使得軟件開(kāi)發(fā)更方便，因?yàn)镹XP官方SDK包提供了完整的VR5510支持。

電源連接

電源連接方式建議按照下圖方式進(jìn)行連接，其中部分電源有跳線選擇，客戶實(shí)際使用時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化，確定選擇其中一種電源，省去跳線電路。

圖二

旁路模式

對(duì)于PMIC來(lái)說(shuō)，有下面兩種旁路模式：

常規(guī)旁路模式：需要VPRE和HVLDO正常工作

帶LPDDR4 自刷新旁路模式：需要VPRE、HVLDO、BUCK3以及LDO2正常工作

根據(jù)不同的需求，用戶可以選擇不同連接方式。S32G的VDD_IO_B可以選擇是來(lái)自VPRE_3V3還是LDO3_3V3，其中的區(qū)別在于，在旁路模式下，VDD_IO_B是否需要供電，需要供電的話，就要連接到VPRE_3V3，如果不需要供電就要連接到LDO3_3V3。這里主要影響的是旁路模式下的功耗。由于CAN_Rx需要用于喚醒，所以處于VDD_IO_STBY電源域，但相應(yīng)的CAN_Tx引腳處于VDD_IO_B電源域。

兩種不同的設(shè)計(jì)分下面兩種情況：

VDD_IO_B選擇是來(lái)自LDO3_3V3，這樣在旁路模式，CAN_Tx引腳處于不工作狀態(tài)。

VDD_IO_B選擇是來(lái)自VPRE_3V3，這種情況下，CAN_Tx引腳處于工作狀態(tài)。這種情況下，S32G2在旁路模式多了40個(gè)工作的引腳。

旁路模式下工作的引腳如果有上拉，則會(huì)有0.3uA的漏電流產(chǎn)生。

旁路模式下不工作的引腳如果外部不是下拉或者不驅(qū)動(dòng)，將會(huì)產(chǎn)生額外的漏電流?？梢愿鶕?jù)實(shí)際情況選擇旁路模式是否給VDD_IO_B供電。

核電壓配置

系統(tǒng)上電之后需要讀一下S32G2芯片的DIE_PROCESS[1:0]寄存器，確定一下芯片的SVS模式是否有使能，如果有使能，即DIE_PROCESS[1:0] = 01b，需要把VR5510的SVS OFFSET[5:0]寄存器的值配置為 ‘0b00101’，從而將BUCK1/2_0V8的電壓值配置為0.76875V，通過(guò)這種方式來(lái)優(yōu)化功耗。

PMIC控制引腳連接

PMIC控制引腳與S32G2之間連接方式如下圖所示：

其中I2C4可以替換為其他I2C引腳，只需修改軟件配置即可。

去耦及濾波電容設(shè)計(jì)

推薦按照下表進(jìn)行電容選擇:

S32G2的每一個(gè)電源引腳旁邊都需要有一個(gè)去耦電容，其他電容可放置在磁珠旁。

去耦電容或者bulk電容需要距離電源過(guò)孔盡可能的近，最好不要超過(guò)50mils。其他的bulk電容可以放在BGA旁邊。去耦電容距離芯片的電源引腳距離應(yīng)足夠近，這樣有助于減少等效電感，從而保證芯片所需的高速瞬態(tài)電流。

VDD_EFUSE 設(shè)計(jì)

S32G包含一個(gè)Fusebox用于存儲(chǔ)一次性燒寫數(shù)據(jù)。在開(kāi)發(fā)或者生產(chǎn)階段燒寫Fuse時(shí)需要給VDD_EFUSE引腳供電，其他時(shí)間段需要連接到地。這樣可以保護(hù)Fuse被意外改寫。如果硬件不需要修改fuse，可以將VDD_EFUSE引腳直接連接到地。

RESET 設(shè)計(jì)

芯片包含兩個(gè)reset引腳，POR_B和RESET_B。

POR_B低電平有效，引腳內(nèi)部包含一個(gè)弱下拉電阻。建議將改引腳連接至電源管理芯片的PGOOD引腳，并且搭配小于等于2kΩ的上拉電阻，這樣芯片上電瞬間，電源管理芯片(VR5510)會(huì)將POR_B拉低，等所有電源電壓穩(wěn)定之后，電源管理芯片會(huì)釋放POR_B。工作過(guò)程中，電源管理芯片監(jiān)控的電源如果有異常，就會(huì)拉低POR_B，使芯片進(jìn)入reset狀態(tài)。POR_B引腳需要防止噪聲干擾，引腳旁邊可以加一個(gè)低通濾波電路。

RESET_B是一個(gè)開(kāi)漏類型的雙向引腳，內(nèi)部包含一個(gè)弱上拉電阻。主要用于向外輸出信號(hào)，用來(lái)指示芯片進(jìn)入reset狀態(tài)。其次，在調(diào)試芯片時(shí)，該引腳也可以用于reset信號(hào)輸入。建議將RESET_B連接至電源管理芯片(VR5510)的RSTB引腳，并且外部加不大于10kΩ的上拉電阻。和POR_B引腳一樣，RESET_B也需要防止噪聲干擾，引腳旁邊可以加一個(gè)低通濾波電路。

時(shí)鐘設(shè)計(jì)

時(shí)鐘源可選下面任一種：

EXTAL和XTAL引腳之間連接一個(gè)20/24/40 MHz的晶體

連接一個(gè)40MHz的單端時(shí)鐘信號(hào)至EXTAL引腳

時(shí)鐘的PCB設(shè)計(jì)需要參照以下規(guī)則：

由于內(nèi)部已經(jīng)集成，外部不再需要添加反饋電阻。

時(shí)鐘電路越短越好。

VSS _FXOSC引腳直連到地平面。

PCB上的高頻信號(hào)以及噪聲敏感信號(hào)遠(yuǎn)離時(shí)鐘電路。

S32G2 XTAL引腳旁的VSS引腳需要直連到地平面，并且和最近的VDD引腳之間需要通過(guò)電容連接。晶振兩端需要放置電容，然后將電容直連地平面。

晶振周圍可以在頂面放一圈地信號(hào)線來(lái)隔離噪聲。

晶振下面放一塊完整的地平面。

Boot 配置

Boot 相關(guān)引腳：

RESET_B釋放時(shí)，BOOTMOD[0] (PA_02) 和 BOOTMOD[1] (PA_03)的電平狀態(tài)會(huì)決定S32G2 的boot模式，RESET_B為低時(shí)，這兩個(gè)引腳電平需要保持穩(wěn)定。

BOOTMOD[0/1]引腳建議用1kΩ電阻上拉。

啟動(dòng)時(shí)，BOOTROM通過(guò)BOOTMOD和RCON引腳電平來(lái)決定不同的boot配置，這些引腳都是功能復(fù)用的引腳，啟動(dòng)之后都要用作其他功能。但是有些引腳，比如I2C功能的引腳使用時(shí)必須有上拉電阻，但是如果啟動(dòng)需要配置成低電平，這樣就會(huì)有沖突，因此在開(kāi)發(fā)板中增加了一個(gè)MAX4886ETO+芯片用于功能選擇。等到產(chǎn)品量產(chǎn)階段，可以通過(guò)燒寫fuse來(lái)設(shè)置boot配置，MAX4886ETO+芯片就可以省去。

在開(kāi)發(fā)階段，啟動(dòng)配置BOOT_CFG有兩個(gè)方法進(jìn)行配置：從EEPROM讀或者從32個(gè)GPIO RCON引腳讀。

從EEPROM讀取boot啟動(dòng)配置：

如果RCON8/PB_01引腳在RESET_B上升沿是高電平，boot配置會(huì)從EEPROM讀取，這時(shí)，RCON7/PB_00會(huì)用作SDA，RCON8/PB_01會(huì)用作SCL。

EEPROM的I2C 地址需要設(shè)置為0xA0。

S32G2 會(huì)從EEPROM的0x0地址讀前4byte的數(shù)據(jù)來(lái)配置RCON。數(shù)據(jù)格式為小端。需要按照RCON7-0 、RCON15-8、RCON23-16、RCON31-24的順序存放數(shù)據(jù)。

當(dāng)使用EEPROM作為RCON數(shù)據(jù)存放地址時(shí)，還需要燒寫EEPROM用于S32G2的啟動(dòng)。

從GPIO讀取boot啟動(dòng)配置：

Boot配置也可以在RESET_B上升沿從GPIO讀取，需要通過(guò)外部的上下拉電阻來(lái)進(jìn)行配置。GPIO RCON引腳如下表所示：

Debug 接口

S32G2包括一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口和高速Aurora調(diào)試接口。

Input/Output 引腳

下表總結(jié)了S32G2的引腳類型

引腳復(fù)用

S32G2的多數(shù)引腳都可以用作多種功能?？梢酝ㄟ^(guò)軟件選擇配置為哪種功能，詳細(xì)功能可參考S32G2用戶手冊(cè)附件的IOMUX文件。

注入電流

所有的引腳都內(nèi)置了保護(hù)二極管。一些應(yīng)用中，數(shù)字和模擬引腳都有可能連接到高于工作電平的電壓，比如由于不同器件或者不同板卡上電順序的原因。這種情況下，只要是器件是斷電的，就可以支持電流注入。不過(guò)等到上電之后，用戶還是需要保證引腳工作電平不要超過(guò)最高限值。

引腳外部可以增加額外的高速ESD保護(hù)器件。

未使用引腳

未使用的可以懸空，軟件配置成輸入以及禁用輸出buffer，（SIUL2 MSCR bits OBE and IBE =0) 、內(nèi)部上拉使能 (PUE = 1)

CLKOUT_P、CLKOUT_N、 POST_AN是NXP內(nèi)部測(cè)試引腳，需要懸空

TMU_ANODE以及TMU_CATHODE，接地。如果實(shí)際情況不方便實(shí)現(xiàn)，可以懸空。

所有未使用的ADC輸入需要下拉到地

S32G2 仿真模型

下面幾種模型可直接從NXP官網(wǎng)下載并用于仿真：

IBIS Model

BSDL Model

DDR S-parameters Model

S32G2 散熱

散熱管理需要綜合考慮各種因素?？梢酝ㄟ^(guò)熱仿真來(lái)分析系統(tǒng)的散熱性能。最常用的散熱方式是散熱片，直接貼裝于S32G2上即可。散熱設(shè)計(jì)需要考慮下面幾個(gè)方面：

保證留給散熱片足夠的空間

溫度敏感器件不要放置在散熱片下

注意散熱片槽的方向，保證熱空氣快速流走

S32G2導(dǎo)熱路徑路徑如下圖所示，大部分的熱量都通過(guò)散熱片發(fā)散。

S32G2 布板布線設(shè)計(jì)

NXP 官方開(kāi)發(fā)板使用Allegro設(shè)計(jì)。用戶如果使用其他工具的話，可以進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，不過(guò)需要注意，轉(zhuǎn)換完成之后，可能會(huì)出現(xiàn)部分錯(cuò)誤，需要手動(dòng)調(diào)整。

層疊設(shè)置

由于S32G2 引腳比較多，推薦至少8層板設(shè)計(jì)，層疊設(shè)置對(duì)于高速信號(hào)的質(zhì)量比較關(guān)鍵，高速信號(hào)需要有臨近的參考平面來(lái)減少串?dāng)_。下面兩種層疊設(shè)置可供用戶參考。

高速信號(hào)走線設(shè)計(jì)：

優(yōu)先走高速信號(hào)

走線做需要的阻抗控制

高速信號(hào)不要穿過(guò)參考平面間隙

高速信號(hào)過(guò)孔旁放置地過(guò)孔

晶體下面放置地平面

同步信號(hào)接口走線做合適的等長(zhǎng)

PCB材質(zhì)

PCB材質(zhì)通常需要關(guān)注兩個(gè)參數(shù)：介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子。選材時(shí)最好選適合高頻應(yīng)用的材料。介電常數(shù)一般來(lái)說(shuō)會(huì)隨著信號(hào)頻率的提高而降低。而高頻材料在一個(gè)很寬的頻率范圍(100MHz~幾GHz)都有相對(duì)穩(wěn)定的介電常數(shù)以及相對(duì)較低介質(zhì)損耗因子。介質(zhì)損耗因子越低，信號(hào)功率損耗越低。

通常來(lái)說(shuō)，F(xiàn)R4板材介質(zhì)損耗因子會(huì)在0.02-0.01之間，而高速板材介質(zhì)損耗因子會(huì)在0.009-0.002之間。FR4板材介電常數(shù)會(huì)在4.2-4.5之間，高速板材介電常數(shù)會(huì)在3.7-3.3之間如何通過(guò)layout降低PCB板材對(duì)信號(hào)完整性造成的影響？

信號(hào)線盡可能短，高速信號(hào)線層緊挨其參考平面，地平面緊挨電源平面，如果可以的話，高速信號(hào)盡量走頂層和底層，因?yàn)轫攲雍偷讓颖葍?nèi)層有更低的傳輸延遲。

新板卡首次上電

這部分內(nèi)容介紹一下，新板卡第一次上電注意事項(xiàng)。

首先，意外的大電流會(huì)損壞板卡，上電之前先用萬(wàn)用表測(cè)量各個(gè)電源對(duì)地阻抗，看是否有短路情況。第一次上電盡量使用帶限流功能的電源，并觀察實(shí)時(shí)電流。

上電之后首先測(cè)量所有電源是否在正常范圍，防止出現(xiàn)過(guò)高電壓損壞器件。運(yùn)行一個(gè)大負(fù)載程序，然后再測(cè)量一次所有電源是否正常。

如果有啟動(dòng)問(wèn)題需要確認(rèn)下面幾個(gè)問(wèn)題：

確認(rèn)POR_B信號(hào)在所有電壓都正常之前一直處于拉低狀態(tài)

POR_B拉高之前保證EXTAL/XTAL引腳晶振或者晶體正常工作

各個(gè)電源符合datasheet上電時(shí)序的要求

以上是S32G硬件設(shè)計(jì)中關(guān)于電源、時(shí)鐘、啟動(dòng)、布局布線等一些設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，下一篇文章我們將介紹關(guān)于S32G2 Memory 以及高速接口的設(shè)計(jì)。