基于TPS54350型DC/DC變換器的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘  要：介紹德州儀器公司推出的內(nèi)含MOSFET的TPS54350型高效DC—DC變換器的特性及引腳功能。描述TPS54350在某信號(hào)處理器供電系統(tǒng)中的應(yīng)用。給出供電系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案和參考電路．同時(shí)也對(duì)實(shí)際工作中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行了討論，供硬件設(shè)計(jì)者參考。
關(guān)鍵詞：DC／DC變換器：TPS54350；信號(hào)處理器：供電系統(tǒng)

1 引言
    TPS54350是德州儀器(TI)新推出的一款內(nèi)置MOSFET的高效DC／DC變換器．采用小型16引腳HISSOP封裝．連續(xù)輸出電流為3 A時(shí)，輸入電壓范圍為4．5 V~20 V。該變換器極大地簡(jiǎn)化了負(fù)載電源管理的設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)人員可直接通過中壓總線(而不依賴額外的低電壓總線)為數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)及微處理器供電。TPS554350 SWIFT(采用集成FET技術(shù)的開關(guān))DC／DC變換器的效率高達(dá)90％以上，非常適用于低功耗工業(yè)與商用電源、帶液晶顯示屏(LCD)的監(jiān)視器與電視、硬盤驅(qū)動(dòng)、視頻圖像卡以及9 V或12V墻式適配器負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓裝置。

2 TPS54350的特性和功能
2．1 TPS54350的特性
    TPS54350型DC／DC變換器的主要特性如下：
    連續(xù)輸出電流為3 A時(shí)．效率達(dá)90%以上；
    輸入電壓范圍為4．5 V一20V：
    輸出電壓可調(diào)低至0．891 V(精確度為l％)；
    可編程外部時(shí)鐘同步：
    寬的脈寬調(diào)制(1)WM)頻率一固定為250 kHz、500 kHz或250 kHz~700 kHz的可調(diào)節(jié)范圍：
    峰值電流限制與熱關(guān)斷保護(hù)：
    可調(diào)節(jié)的欠壓關(guān)斷；
    內(nèi)部軟啟動(dòng)：
    電源安全輸出。

2．2 TPS54350引腳功能和電路功能
2．2．1 引腳功能
    VIN：電壓輸入引腳，范圍為4．5V～20V，必須旁路連接一個(gè)低等效串聯(lián)電阻(ESR)的10μF陶瓷電容器：
    UVL0：欠壓閉鎖輸出：
    PWRGD：開漏輸出。該引腳為低電平時(shí)，表示輸出低于期望的輸出電壓值。PWRGD比較器的輸出端有一個(gè)內(nèi)部的上升沿濾波器：
    RT：頻率設(shè)置引腳。在RT引腳與地(AGND)之間接一只電阻器．設(shè)置轉(zhuǎn)換頻率。將RT引腳接地或懸空可以得到一個(gè)內(nèi)部備選頻率；
    SYNC：雙向I／O同步引腳。當(dāng)RT引腳懸空或置低電平時(shí)，SYNC為輸出：當(dāng)它與一個(gè)下降沿信號(hào)連接時(shí)，亦可作為一個(gè)輸入端口來同步系統(tǒng)時(shí)鐘：
    ENA：使能引腳。低于0．5 V時(shí)。電路停止工作；懸空時(shí)被使能；
    COMP：誤差放大器輸出：
    VSENSE：誤差放大器轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，基準(zhǔn)電壓值：
    AGND：模擬地，內(nèi)部與感應(yīng)模擬地電路連接。與PGND和PowerPAD連接：
    PGND：電源地，與AGND和PowerPAD連接；
    VBIAS：內(nèi)部8．0 v偏置電壓。該引腳要接1只0．1 μF的陶瓷電容器：
    PH：相位端，與外部LC濾波器連接；
    BOOT：在BOOT引腳與PH引腳之間連接一只O．1μF的陶瓷電容器。

2．2．2 電路功能
    TPS54530支持中等范圍的電流輸出．能夠?qū)⑤敵鲭妷航抵?．891 V．其精度可達(dá)l%。TPS54530集成了高端MOSFET和一個(gè)可選擇的低端外部MOS-FET柵極驅(qū)動(dòng)器。此外，該器件還采用了高性能電壓誤差放大器，極大地改善了瞬時(shí)條件下的性能，從而可靈活選擇輸出濾波電感器與電容器。開關(guān)頻率固定在250 kHz或500 kHz，也可以將其升高到7OO kHz，以縮小無源組件的尺寸。

    圖1示出TPS54350的實(shí)際應(yīng)用電路，圖中給出的是其中一種情況，其輸出電壓是可變的，通過改變電阻器R2的阻值，可得到期望的輸出電壓值。圖l中的輸入電壓為12 V，輸出電壓為3．3 V，其中R2的計(jì)算公式為：
R2=R1x0．891／(Vo-0.891)
R1=1 KΩ

    表1給出當(dāng)Rl=l kΩ和R1=10 kΩ,時(shí)的幾種輸出電壓下的R2的值。筆者設(shè)計(jì)的系統(tǒng)就是應(yīng)用圖1所示的電路來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)不同的輸出電壓要求賦給R2不同的阻值，其阻值的取法可參照表l。另外，對(duì)于設(shè)計(jì)者來說，設(shè)計(jì)電路時(shí)要考慮到表2所列的幾個(gè)因素。本系統(tǒng)中的R。=l kΩ。

3 TPS54350在信號(hào)處理系統(tǒng)中應(yīng)用
3．1 系統(tǒng)組成及供電電路
    本信號(hào)處理系統(tǒng)采用的是ADl公司的TS201S型ADSP組成的多片某仿真雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)．系統(tǒng)主要由5個(gè)DSP、1個(gè)FPGA和7個(gè)TPS54350組成。在以往使用的MAXl951和。PEGlll7的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上．經(jīng)過多方面的設(shè)計(jì)考慮，采用了TPS54350型DC／DC變換器．從表1可以看出．TPS54350可以輸出3．3 V、2．5 V和1．2V的電壓。系統(tǒng)中的DSP采用240 MHz時(shí)鐘，每個(gè)指令周期約為4．17 ns。根據(jù)TS201S型ADSP的工作條件可知，當(dāng)溫度為25℃、時(shí)鐘CCLK(為250 MHz時(shí)，典型情況下的VDD(1．25V)供電電流典型值為1．2 A，VDD的供電電流小于137 mA。TPS54350的額定輸出電壓為3 A．所以此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是合理的。

    TigerShar DSP有3個(gè)電源，其中數(shù)字2．5 V(VDD_Io)為I／0供電；數(shù)字1．2 V(VDD)為DSP內(nèi)核供電；模擬1．2 V(VDD_A)內(nèi)部鎖相環(huán)和倍頻電路供電。系統(tǒng)將主機(jī)提供的5V,經(jīng)過TPS54350得到2．5V和1．2 V的電壓。各片DSP的數(shù)字1．2V(VDD)電源各由1個(gè)TPS54350供給。5個(gè)。DSP內(nèi)部模塊1．2V(VDD)由同一個(gè)。DSP的VDD(+1．2V)經(jīng)濾波網(wǎng)絡(luò)后解決。5個(gè)。DSP的FO 2．5V電源直接由主機(jī)提供的5V經(jīng)過TPS54350得到2．5V統(tǒng)一供給，同時(shí)提供FPGA(EPU1。K30)的VccM(+2．5 V)電壓。其中FPGA的Vcc_IO(+3．3V)利用TPS54350輸出的+3.3V電壓來供電。本系統(tǒng)的供電電路框圖如圖2所示。圖3示出單個(gè)DSP的內(nèi)核供電電路框圖及外圍電路配置。

3．2 問題及其解決方案
    T37S54350采用小型16引腳HTSSOP封裝。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，建議設(shè)計(jì)PC板時(shí)最好給TPS54350加上散熱片，電源線盡量粗一點(diǎn)。在TPS54350的前后均加上濾波網(wǎng)絡(luò)，盡量保證得到比較合適的電壓。

    系統(tǒng)中的EPlK30產(chǎn)生上電復(fù)位波形和時(shí)序控制。由于EPlK30需要一個(gè)配置電路，而且它和DSP存在一個(gè)上電先后的問題。即在上電后，如果FPGA完成配置文件的讀入時(shí)．DSP仍未上電穩(wěn)定．則應(yīng)充分延長(zhǎng)TStart_I0的低電平時(shí)間，以避免DSP上電未穩(wěn)定而FPGA上電波形已結(jié)束的情況發(fā)生。因此。應(yīng)保證DSP上電穩(wěn)定先于FPGA配置文件的讀入，此問題在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以充分重視．否則DSP將無法正常工作。TigerSharc TS201S要求數(shù)字2．5V和l-2V應(yīng)同時(shí)上電。若無法嚴(yán)格同步，則應(yīng)保證內(nèi)核1．2V電源先上電．I/0的2．5 V電源后上電。本系統(tǒng)在數(shù)字2．5 V輸入端并聯(lián)了一個(gè)大容量電容器．在數(shù)字1．2 V輸入端并聯(lián)了一個(gè)小容量電容器．其目的就是為了保證2．5V充電時(shí)間大于1．2V充電時(shí)間．來解決電源供電先后的問題。

4 結(jié)束語
    設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)．電源的設(shè)計(jì)起著重要的作用。電路的選擇更為重要，選擇一個(gè)性價(jià)比高、散熱性能好、節(jié)省資源的電路是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文是在總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行論述的，該雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際工作測(cè)試．證明其性能是很穩(wěn)定的．供其他硬件設(shè)計(jì)者借鑒。