基于TPS6211X的FPGA高效電源設(shè)計(jì)

1 前言

隨著ARM微處理器技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列技術(shù)(FPGA)的發(fā)展及其在手持式設(shè)備中的應(yīng)用，手持式設(shè)備低功耗、微型化的要求越來(lái)越高。作為必然趨勢(shì)，節(jié)能將是未來(lái)手持式電子設(shè)備的必然特性，但是高效率和節(jié)能是一對(duì)矛盾，雖然作為手持設(shè)備能量來(lái)源的鋰電池的容量越來(lái)越大，但隨著功能的完善，手持設(shè)備的總功耗也在不斷增加，而鋰電池容量的能量體積比是有限的，這就要求不斷提高電源器件的轉(zhuǎn)換效率和改善電源管理方案。

在手持設(shè)備中，為了獲得較高的總功率，很多系統(tǒng)的電池電壓都在7 V之上，如7.2 V，9 V，12 V等?；诖耍轮輧x器(TI）推出了支持3.1～17 V輸入電壓范圍的1．5 A(典型值)DC／DC降壓轉(zhuǎn)換器系列器件TPS6211X。該小型集成電路(IC)的電源轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)95％，能夠顯著延長(zhǎng)依靠2～3節(jié)鋰電池供電的手持式測(cè)試儀表及其他高端手持式設(shè)備的電池使用壽命。

2 TPS6211X器件簡(jiǎn)介

TPS6211X系列器件是包含TPS6211，TPS62111，TPS62112三款DC／DC型電源器件，其中TPS62111和TPS62112分別為固定輸出3．3 V和5 V，TPS62110為可調(diào)輸出，輸出電壓范圍是1.2～16 V，其特性可滿足絕大多數(shù)手持式設(shè)備的電源需求。

2．1 引腳功能說(shuō)明

TPS6211X標(biāo)準(zhǔn)封裝為QFN-16，尺寸為4 mm×4 mm，圖1所示為引腳排列。其引腳功能描述如表1所示。

2．2 性能特點(diǎn)

該系列器件屬于低紋波電壓噪聲的同步降壓型轉(zhuǎn)換器，開(kāi)關(guān)頻率典型值為1 MHz，內(nèi)置FET，不需要額外的MOSFET和穩(wěn)壓管，降低了設(shè)計(jì)難度，允許設(shè)計(jì)人員利用更小的外部元件，不必?fù)?dān)心組件效能或轉(zhuǎn)換效率受到影響，既可節(jié)省板級(jí)空間，還能縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間。此外，TPS6211X可與0.8～1.4 MHz的外部頻率訊號(hào)同步，設(shè)計(jì)靈活。

圖2a,b是TPS62111和TPs62112在多種輸人電壓下，分別工作在PFM(脈沖頻率調(diào)節(jié))模式和PWM(脈沖幅度調(diào)節(jié))模式下的電流電壓轉(zhuǎn)換效率曲線圖。從圖2可以看到，在PFM時(shí)，即工作在輕負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)換效率相當(dāng)高，均能達(dá)到90％；而當(dāng)輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)及外接負(fù)載變化時(shí)，其工作在PWM模式，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)85％以上，這對(duì)于從7 V以上電壓值直接轉(zhuǎn)換到所需電壓值是非常有用的特性。圖2c為在不同輸入電壓下，輸出端電流的最大值。當(dāng)輸入電壓高于5 V時(shí),TPS6211X系列的最大輸出電流可達(dá)1.8A，將其用于驅(qū)動(dòng)要求電壓精度較高和電流幅值較大的FPGA器件是很合適的。

3 應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)

與LDO(線性穩(wěn)壓)型電源器件不同，TPS6211X系列器件是DC／DC(開(kāi)關(guān)型)型的電壓轉(zhuǎn)換器。開(kāi)發(fā)手持式測(cè)試儀表中，ARM和FPGA是兩個(gè)主要器件，ARM作為主控器件，承載操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)全局任務(wù)的調(diào)度和電源管理，F(xiàn)PGA作為主要的運(yùn)算單元，是消耗電能的主要模塊，因此做好FPGA模塊的電源管理可明顯改善系統(tǒng)性能。

3．1 FPGA器件簡(jiǎn)介及其電源配置分析

在研制的手持式測(cè)試儀中，采用Cyclone III EP3C40_780的FPGA器件。Cyclone III FPGA是Altera Cyclone系列的第三代產(chǎn)品。CycloneIII FPGA系列前所未有地同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低功耗、低成本和高性能，進(jìn)一步擴(kuò)展了FPGA在成本敏感領(lǐng)域中的應(yīng)用。

FPGA器件內(nèi)核電壓和I／O，電壓的上電時(shí)序應(yīng)遵循一定的順序，即內(nèi)核上電時(shí)間不遲于I／O上電時(shí)間。雖然Cy-cloneIII FPGA系列器件對(duì)此無(wú)特殊要求，但遵循一定的上電條件是有益的，例Altera公司的Cyclone III必須讓VC-CINT電源在3～9 ms(快速上電模式)或50～200 ms(標(biāo)準(zhǔn)上電模式)內(nèi)上電，而TPS6211X系列器件的典型的啟動(dòng)時(shí)間為1 ms(1 MHz)，完全滿足此要求。

在所有代碼編譯完成之后，利用Quartus II開(kāi)發(fā)平臺(tái)計(jì)算其內(nèi)部資源的使用情況并估算功耗：1.2 V／3 A(內(nèi)核電壓和PLL所需數(shù)字電壓)，2.5 V／1 A(PLL所需模擬電壓)，3.3V／1 A(I／O電壓)。

3．2 方案的選擇

在手持式測(cè)試儀中，選用7.2 V鋰電池供電，這一屬性是選擇TPS6211X系列電源器件的主要原因。有兩種電源管理方案可供選擇，如表2所示。

3．3 電路實(shí)現(xiàn)

根據(jù)選擇的方案2以及TPS6211x的數(shù)據(jù)手冊(cè)，電路連接如圖3和圖4所示。兩個(gè)電路中的電感、電容、電阻均采用貼片型封裝，可最大程度減少PCB面積。電感的直流電阻越小越好(幾十毫歐)，飽和電流須高于最大輸出電流，由此選擇電源型電感，以減少熱損耗；輸入端電容可采用無(wú)極性的陶瓷電容，輸出端電容應(yīng)采用極性鉭電容，電容的耐壓值最好在16 V之上，可保證輸出電流的單向性和較好的紋波特性。圖3中的器件引腳FB是輸出電壓反饋端，以調(diào)整輸出電壓精度，其外接電阻分壓網(wǎng)絡(luò)中的R3和R4的阻值精度應(yīng)在5％以上才能得到合適精度的輸出電壓，R3、R4的關(guān)系如下：

式中：VFB是1.153 V，只要給定R4和所需的輸出電壓Vo就可確定R3。此外，為了器件更好地工作，R3和R4之和應(yīng)該處在400 kΩ-1 MΩ之間。由TPS62110得到2.5 V的電路與圖3相似，其反饋端電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值選擇按照式(1)可得到。由TPS62112得到5 V的電路與圖4相似，不再重復(fù)。

需要注意：系統(tǒng)中電源器件的輸出電流較大，所以其散熱端PowerPAD要與PCB的銅板有良好接觸。當(dāng)系統(tǒng)某一電壓需要較大的驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，可以采用并聯(lián)的方法滿足要求。在研制的手持式測(cè)試儀中FPGA需要電源為1．2 V／3 A,2.5V／1 A，3.3 V／1 A，于是可以將兩路TPS62110并連。得到最大3.6 A的驅(qū)動(dòng)電流，實(shí)踐證明是完全可行的。這種做法不僅可滿足FPGA器件的需求．還能為系統(tǒng)的其他模塊提供一部分支持。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然作為手持設(shè)備能量來(lái)源的鋰電池的容量越來(lái)越大，但隨著功能的完善，手持設(shè)備的總功耗也在不斷增加，而鋰電池容量的能量體積比是有限的，這就要求不斷提高電源器件的轉(zhuǎn)換效率和改善電源管理方案。這里的TPS6211X電源轉(zhuǎn)換器件在系統(tǒng)里穩(wěn)定，能夠?yàn)镕PGA器件提供良好的電壓支持，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

[1].TPS62111datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/TPS62111_1116188.html.
[2].TPS62112datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/TPS62112_1116189.html.
[3].TPS62110datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/TPS62110_1116187.html.
[4].Altera Cyclonedatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/Altera+Cyclone_2445471.html.
[5].PCBdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.