Troubleshooting a 5cm FPGA Board (Spartan): Design Mistakes and Lessons Learned

📝 English Summary

This article describes the real-world troubleshooting experience during the development of a compact 5cm FPGA board based on a Spartan device.

In practical hardware design, issues are inevitable. This project encountered several problems, including wiring mistakes around the FTDI interface, a non-starting crystal oscillator, unstable 1.8V power supply behavior, and incorrect reference voltage configuration.

Each issue was analyzed and resolved through practical methods such as manual rework, component replacement, and circuit redesign. In particular, replacing the crystal with an oscillator improved stability and reduced component complexity, which is important in a compact board design.

One key takeaway from this project is that a design that “works” is not necessarily a design that is “production-ready.” Many of the challenges came not from the FPGA itself, but from the surrounding circuits such as power, clock, and interfaces.

Through multiple iterations (up to four board revisions), the design eventually reached a level suitable for production.

This article provides practical insights for engineers working on small FPGA boards, especially regarding common pitfalls and how to avoid them.

はじめに

今回は、5cm FPGAボード開発で発生したトラブルと、その対応についてまとめます。

こういった内容はあまり表に出にくいですが、

👉 実際の開発ではトラブルの連続です

👉 「これからFPGA基板を作る人には特に参考になります」

今回も例外ではありませんでした。

今回の主なトラブル
・FTDI配線ミス
・水晶発振子が起動しない
・1.8V電源不安定
・FTDIリファレンス電圧ミス

回路図の設計ミス（FTDI周り）

最初に発生したのが👇

👉 FTDIデバイスとROM間の配線ミス

■ 対応

• 手配線で修正
• 動作確認

👉 なんとか復旧

■■ 原因

👉 思い込み（流用）

■ 対策

👉 手配線で修正

■ 教訓

👉 流用時は必ず再チェック

水晶発振子が動作しない

次に発生したのが👇

👉 水晶発振子が起動しない問題

■ 対応

• 負荷容量コンデンサの値を変更
  → 動作確認OK

■ 最終対応

👉 水晶発振器（オシレータ）へ変更

■ 理由

• 部品点数を減らしたい（5cm制約）
• 安定性を優先

👉 結果的にこちらの方が扱いやすかった

電源（1.8V）の不安定

もう一つ大きな問題が👇

👉 1.8V電源が不安定になる現象

• 出力しない場合がある
• 動作が安定しない

■ 対応

👉 DC/DCコンバータを変更

■ 気づき

• 過去に使ったことのあるメーカーでも
• 条件が変わると安定しない

👉 「実績＝安全」ではない

■ JLCPCBとの関係

• 部品の安定供給も考慮
• 結果として他メーカーへ変更

👉 製造条件も設計に影響

FTDIのリファレンス電圧ミス

さらに👇

👉 FTDIのリファレンス電圧生成ミス

■ 原因

• KiCadで過去回路をコピー
• 「以前動いたから大丈夫」という思い込み

👉 完全に油断

FPGA本体は問題なし

意外にも👇

👉 FPGA周りはほぼ問題なく動作

■ 逆に気づいたこと

👉 周辺回路の方がミスが出やすい

試作枚数と進め方

初期はトラブルを想定して👇

👉 最小ロットで製造

• 基板：5枚
• 実装：2枚

■ その後

• 問題修正
• 再設計
• 再製造

👉 最終的に4回目で完成レベル

■ 量産前

👉 約20枚製造

結果

👉 販売可能な品質になったのは4回目以降

学び

今回の開発で一番感じたのは👇

👉 「動く設計」と「製品になる設計」は違う

まとめ

今回のトラブルを通して、

• 回路流用の危険性
• 電源設計の重要性
• 発振回路の難しさ
• 製造条件の影響

👉 多くの実務的な知見が得られました

ひとこと

小型FPGAボードでは👇

👉 周辺回路の完成度が全体品質を決める

と感じています。

次回予告（任意）

👉 AI編 / UART編 / 実機動作編 などに接続

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