FPGA-DDRx的VTT电源设计要点

1、DDR系统的三种电源

对于电源电压，DDR SDRAM系统要求三个电源，分别为VDDQ、VTT和VREF。

A、主电源VDD和VDDQ

主电源的要求是VDDQ=VDD，VDDQ是给IO buffer供电的电源，VDD是给内核供电。但是一般的使用中都是把VDDQ和VDD合成一个电源使用。

有的芯片还有专门的VDDL，是给DLL供电的，也和VDD使用同一电源即可。

电源设计时，需要考虑电压、电流是否满足要求。

电源的上电顺序和电源的上电时间，单调性等。

电源电压的要求一般在±5%以内。电流需要根据使用的不同芯片，及芯片个数等进行计算。由于DDR的电流一般都比较大，所以PCB设计时，如果有一个完整的电源平面铺到管脚上，是最理想的状态，并且在电源入口加大电容储能，每个管脚上加一个100nF~10nF的小电容滤波。

到了DDR5，电压从1.2V变到了1.1V，下降了8.3%，这是几代DDR总线以来下降比例最少的一次。说明电子技术的发展，对于低功耗的设计难度越来越大。这么低的电压，其抗干扰设计就会更加的难。对于电源完整性和信号完整性的设计要求就越来越严苛。

B、参考电源Vref

参考电源Vref要求跟随VDDQ，并且Vref=VDDQ/2，所以可以使用电源芯片提供，也可以采用电阻分压的方式得到。由于Vref一般电流较小，在几个mA_{几十mA的数量级，所以用电阻分压的方式，即节约成本，又能在布局上比较灵活，放置的离Vref管脚比较近，紧密的跟随VDDQ电压，所以建议使用此种方式。需要注意分压用的电阻在100Ω}10kΩ均可，需要使用1%精度的电阻。Vref参考电压的每个管脚上需要加10nF的电容滤波，并且每个分压电阻上也并联一个电容较好。

Vref此处的电流并不大，通过分压，可以选择阻值稍大的电阻。所以需要靠近芯片放置，放置走线过长，被其他大电流信号干扰。

C、用于匹配的电压VTT(Tracking Termination Voltage)

VDDQ是一种高电流电源DDR芯片的内核、I/O和存储器逻辑供电，而Vref是一种低电流、精确的参考电压，它在逻辑高电平（1）和逻辑低电平（0）之间提供一个阈值，以适应I/O电源电压的变化。通过提供一个适应电源电压的精确阈值，VREF实现了比固定阈值和终端和驱动正常变化情况下更大的噪声裕度。

VTT是改善信号质量，最常见的规格是0.49到0.51倍VDDQ，VTT为匹配电阻上拉到电源，VTT=VDDQ/2。

DDR的设计中，根据拓扑结构的不同，有的设计使用不到VTT，如控制器带的DDR器件比较少的情况下。如果使用VTT，则VTT的电流要求是比较大的，所以需要走线使用铜皮铺过去。并且VTT要求电源既可以吸电流，又可以灌电流才可以。一般情况下可以使用专门为DDR设计的产生VTT的电源芯片来满足要求。很多情况下，也采用上下拉电阻实现吸电流和灌电流的功能，即戴维南电路。

而且，每个拉到VTT的电阻旁一般放一个10nF~100nF的电容，整个VTT电路上需要有uF级大电容进行储能。

由于VTT电源必须在 1/2 VDDQ提供和吸收电流，因此如果没有通过分流来允许电源吸收电流，那么就不能使用一个标准的开关电源。而且，由于连接到VTT的每条数据线都有较低的阻抗，因而电源就必须非常稳定。在这个电源中的任何噪声都会直接进入数据线。

VTT 被用来从DDR控制器IC中获取电压，给数据总线和地址总线提供电源,VTT不直接应用在DDR器件上，而是在系统电源上（VTT和终端电阻都被集成到 DDR CONTROLLER上），因此不需要在电路图中额外标出。它的值通常设定大致等于VREF的值（在VREF上下0.04V浮动），并且随着VREF的变化而变化。对于DDR1 SDRAM应用中的地址总线控制信号和数据总线信号都有端接电阻。需要一个没有任何的噪声或者电压变化的参考电压(VREF)，用作DDR SDRAM输入接收器，VREF也等于1/2 VDDQ。VREF的变化将会影响存储器的设置和保持时间。

2、为什么需要VTT

为了符合DDR的要求并保证最优的性能，VTT和VREF需要在电压、温度和噪声容限上进行严密的控制以便跟踪1/2 VDDQ。

在实际电路中，对于VREF的电压采取电阻分压的方式取得，如下图所示：

其中电容为去耦电容。

DDR颗粒的接收端比较特殊，它是一个差分放大器，其中的一个PIN脚连接Vref是固定，另一个PIN接在DDR控制器的发送端，发送端发送过来的信号，只要比Vref高，高过一定的门限，接受端就认为1，只要比Vref低，低于一定的门限，接收端就认为0。我们知道DDR的速率(电平的切换)是很快的，同时一个控制器会下挂很多颗粒，这就导致总线上的电流(电荷)来不及泄放和补充，这就需要将VTT在VOUT为高的时候，吸收电流，在VOUT为低的时候补充电流；

以DDR2为例，当VOUT为高电平的时候，VOUT＝1V8，VTT＝0V9，电流b向处于增加的趋势，当VOUT为0，VTT＝0V9，电流a向处于增加趋势；

一般DDR VTT的拓扑结构如下图所示：

3、VTT电源工作原理

其中VFB为电压反馈端，SW为电压输出端；

结合DDR拓扑图来看，当VOUT为低的时候，由于a方向的电流处于增大的趋势，电感L会产生临时反向电动势，来抑制电流变化，这样导致VTT电压变小，上管导通，来补偿这个电流，直至流经电感的电流等于新的电流；

当VOUT为高的时候，由于b方向的电流处于增大的趋势，电感L会产生临时的反向电动势，来抑制电流变化，这样导致VTT处的电源变大，进而导致Vsense变大，上管关闭，下管导通，吸收电流；

4、戴维南电路代替VTT

在一些设计中，在使用DDR颗粒的情况下，已经基本全部不使用VTT电源，全部采用电阻上下拉的戴维南电路（用上下拉电阻替代VTT电源），只有在使用内存条的情况下才使用VTT电源。需要进行信号完整性仿真之后，确定上下拉电阻的阻值。这个阻值一般比较小，虽然降低了设计复杂度，但是增大了整个系统的功耗。

一般情况下，DDR的数据线都是一驱一的拓扑结构，且DDR2和DDR3内部都有ODT做匹配，所以不需要拉到VTT做匹配即可得到较好的信号质量。DDR2的地址和控制信号线如果是多负载的情况下，会有一驱多，并且内部没有ODT，其拓扑结构为走T型的结构，所以常常需要使用VTT进行信号质量的匹配控制。DDR3可以采用Fly-by方式走线。

5、VTT电流预估

例如：VTT（0.6V）作为地址线/控制线（共25根）的上拉电源，上拉电阻39.2欧姆，最大电流计算公式：（0.6V/39.2）*25 = 0.38A。

最大电流就是所有信号同为高，或者同为低的时候，所有的信号线都是灌电流或者拉电流。如果有高有低，则会相互抵消，VTT的输出电流没有那么大。

文章来源于网路，参考原文：《为什么DDRx的电源设计时需要VTT电源》