基于高性能數(shù)字信號(hào)處理器的供電模塊設(shè)計(jì)

摘要：在由高性能數(shù)字信號(hào)處理器構(gòu)建的系統(tǒng)中，供電模塊的設(shè)計(jì)是很重要的一個(gè)部分。以ADSP-TSl01為例，對(duì)應(yīng)用電源芯片TPS54312和TPS54616設(shè)計(jì)出符合要求的供電模塊進(jìn)行了詳細(xì)介紹。首先對(duì)3種供電方式進(jìn)行了對(duì)比和原理上的介紹，然后介紹了這兩款芯片的性能，并詳細(xì)介紹了如何利用這兩款芯片進(jìn)行原理圖的設(shè)計(jì)以滿足功耗、上電次序等設(shè)計(jì)要求，同時(shí)利用TI電源設(shè)計(jì)輔助軟件swift designer進(jìn)行分析和仿真。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)完全符合系統(tǒng)供電要求。

關(guān)鍵詞：高性能數(shù)字信號(hào)處理器；swift designer；電源設(shè)計(jì)；TPS54312

l 引 言

隨著近年來芯片制造技術(shù)的不斷發(fā)展，以及市場(chǎng)對(duì)高性能數(shù)字信號(hào)處理器的需求，新的功能更強(qiáng)，速度更快，功耗更低的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)產(chǎn)品不斷推出，給電路設(shè)計(jì)帶來了極大的方便。但與此同時(shí)，這些高性能器件的使用對(duì)供電模塊的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。高效、穩(wěn)定、滿足上電次序的供電模塊設(shè)計(jì)具有重要意義，將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，甚至整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)前，DSP、FPGA等芯片的供電方式主要有3種：采用線性電源芯片，采用開關(guān)電源芯片，采用電源模塊。這3種方式的一個(gè)總體對(duì)比如表1所示。

線性電源的基本原理是根據(jù)負(fù)載電阻的變化情況來調(diào)節(jié)自身的內(nèi)阻，從而保證輸出端的電壓在要求的范圍之內(nèi)。由于采用線性調(diào)節(jié)原理，瞬態(tài)特性好，本質(zhì)上沒有輸出紋波。但隨著輸入輸出電壓差的增大或是輸出電流增加，芯片發(fā)熱會(huì)成比例增加，因此線性電源要求有較好的散熱處理控制。線性電源的輸入電流接近于輸出電流，它的效率(輸出功率／輸入功率)接近于輸出／輸入電壓比。因此，壓差是一個(gè)非常重要的性能，因?yàn)楦偷膲翰钜馕吨叩男省DO線性電源的低壓差特性有利于改善電路的總體效率。線性電源對(duì)電流輸入較小的應(yīng)用系統(tǒng)提供了一種體積小、廉價(jià)的設(shè)計(jì)方案。

開關(guān)電源利用磁場(chǎng)儲(chǔ)能，無論升壓、降壓或是兩者同時(shí)進(jìn)行，都可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)高的變換效率。由于變換效率高，因此發(fā)熱很小，散熱處理得以簡(jiǎn)化。又由于是開關(guān)穩(wěn)壓器電源，與LDO線性電源相比，DC／DC調(diào)整器輸出紋波電壓較大、瞬時(shí)恢復(fù)時(shí)間較慢、容易產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。要取得低紋波、低EMI、低噪聲的電源，關(guān)鍵在于電路設(shè)計(jì)，尤其是輸入／輸出電容、輸出電感的選擇和布局。因此在三種電源設(shè)計(jì)方案中，開關(guān)電源的設(shè)計(jì)要較另兩種電源設(shè)計(jì)方案復(fù)雜。但由于開關(guān)電源設(shè)計(jì)靈活，耗熱小，成本也較低，在系統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì)中，仍不失一種較好的選擇。

電源模塊原理上講是個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器，效率非常高。相對(duì)于普通開關(guān)穩(wěn)壓器，它的集成度更高，外圍只需要一個(gè)輸入電容和一個(gè)輸出電容即能工作，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，適合D要求開發(fā)周期非常短的應(yīng)用。

2 芯片選型和功能介紹

由于ADSPTSl01信號(hào)處理部分僅是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)子部分，結(jié)合其他部分的供電要求，F(xiàn)PGA芯片采用ATERA公司的EPlCl2F324，IO電壓3．3 V，內(nèi)核電壓1．5 V，ADSPTS101的IO供電壓3．3V，內(nèi)核電壓1．2V。其中EPlCl2F324對(duì)上電次序的要求并不是太嚴(yán)格，電源設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，采用AS2830一1．5電源芯片即可達(dá)到要求。而ADSPTSl01對(duì)上電次序有較為嚴(yán)格的要求，當(dāng)上電次序沒有達(dá)到要求時(shí)，既使上電后進(jìn)行復(fù)位初始化后，初始狀態(tài)仍然可能不對(duì)。因此，系統(tǒng)電源部分設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于滿足ADSPTS101的上電要求。當(dāng)然，采用電源模塊，如PT6944芯片可以滿足設(shè)計(jì)要求，但基于開關(guān)電源和電源模塊的比較優(yōu)勢(shì)，本系統(tǒng)采用開關(guān)電源進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用的電源芯片為TI公司的TPS54616和TPS54312。

TPS54616是一款TI公司推出的適合DSP，F(xiàn)PGA，ASIC等多芯片系統(tǒng)供電的電源芯片，是一款低電壓輸入、大電流輸出的同步降壓DC／DC調(diào)整器，內(nèi)含30MQ、12 A峰值電流的MOSFET開關(guān)管，最大可輸出6A電流。輸出電壓固定3．3V，誤差率為1％。開關(guān)頻率可固定在350 kHz或550 kHz，也可以在280 kHz到700 kHz之間調(diào)整。另外，它還具有限流電路、低壓閉鎖電路和過熱關(guān)斷電路。

TPS54312也同樣是TI推出的一款低電壓輸入，大電流輸出的同步降壓DC／DC調(diào)整器。所不同的是，TPS54312對(duì)于連續(xù)3 A的電流高效輸出，集成的MOS-FET開關(guān)管為60MQ，同時(shí)其固定電壓輸出為1．2V。

另外，TPS54616和TPS54312均采用集成化設(shè)計(jì)，減少了元件數(shù)量和體積，因此，可廣泛用于低電壓輸入、大電流輸出的分散電源系統(tǒng)中。

TPS54616和TPS54312功能管腳定義類似，其引腳封裝分別如圖1所示。

以TPS54616為例，簡(jiǎn)述各引腳功能，TPS54312對(duì)應(yīng)命名相同的引腳功能相似。AGND：模擬地；BOOT：?jiǎn)?dòng)輸入，應(yīng)和PH腳間連接一個(gè)0．02～O．1μF的電容；NC：不連；PGND：電源地，使用時(shí)與AGND單點(diǎn)連接；PH：電壓輸出端；WRGD：當(dāng)VSENSE>90％參考電壓時(shí)，輸出為高阻，否則輸出為低電平，利用這點(diǎn)，可用于I／O口電壓和內(nèi)核電壓的控制，設(shè)計(jì)出符合要求的上電次序；RT：頻率設(shè)置電阻輸入，選擇不同的阻值連接，可設(shè)置不同的電源開關(guān)頻率；SS／ENA：慢啟動(dòng)或輸入輸出使能控制；FSEL：頻率選擇；VBIAS：內(nèi)部偏壓調(diào)節(jié)，與AGND間應(yīng)連接一個(gè)0．1～1μF的陶瓷電容；VIN：外部電壓輸入；SENSE：誤差放大反饋輸入，可直接連到輸出電壓端。

3 電路設(shè)計(jì)

在Protel中搭建原理圖，如圖2所示。

設(shè)計(jì)主要考慮了輸入濾波、反饋回路、頻率操作、輸出濾波、延時(shí)啟動(dòng)等問題。

3．1 輸入輸出濾波

兩電源芯片輸入電壓均為5 V，為有效慮除輸入電源中的高頻分量，輸入端均接一個(gè)10μF的旁路電容。同時(shí)，為減少輸入紋波電壓，各接入一個(gè)100μF和180μF的濾波電容。經(jīng)過這樣的組合濾波，可以得到一較為干凈的輸入電源。在輸出端，為了得到質(zhì)量較好的輸出波形，輸出濾波網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)4．7μH電感及一個(gè)470μF和1 000 pF的電容組成。

3．2 反饋回路

TPS54312上為直接反饋，經(jīng)過濾波輸出后的電壓直接連接到VSENSE上，TPS54616加上一個(gè)反饋電阻，作用其實(shí)是相同的，都是直接反饋。

3．3 開關(guān)頻率設(shè)計(jì)

如果讓RT腳空接，F(xiàn)SEL接地或接在VIN上，則開關(guān)頻率為350 kHz或550 kHz。如果采用外接電阻進(jìn)行開關(guān)頻率選擇，有計(jì)算阻值的公式為：R=500 kHz／選擇的開關(guān)頻率×100 kΩ。設(shè)計(jì)中選用開關(guān)頻率700 MHz，計(jì)算得應(yīng)接電阻阻值為71．5 kΩ。

3．4 延時(shí)啟動(dòng)

兩芯片均有慢啟動(dòng)和輸出輸入使能控制功能。通過在腳SS／EN上連接不同容值的電容，可以獲得不同的慢啟動(dòng)時(shí)間。盡管有專門的計(jì)算公式可以進(jìn)行計(jì)算，但這里設(shè)計(jì)可以利用TI為專門電源設(shè)計(jì)推出的軟件swift desig-ner，可以為設(shè)計(jì)提供很大的方便。swift designer提供一系列的電源芯片支持設(shè)計(jì)，包括對(duì)TPS54312和TPS54616的支持。

在swift designer中設(shè)置參數(shù)，然后按“GO”，軟件即能自動(dòng)按照要求的參數(shù)選擇電源芯片和搭建好外圍電路。設(shè)參數(shù)為：輸出電壓1．2V，輸出電流3A，輸入最小電壓4．8V，最大5．2V，慢啟動(dòng)時(shí)間3 ms，開關(guān)頻率700 kHz。軟件可以自動(dòng)生成電路圖，軟件自動(dòng)選擇的電源芯片是TPS54312，同時(shí)外圍電路已經(jīng)連接好。

同樣修改參數(shù)，輸出電壓3．3V，輸出電流6A，輸入最小電壓4．8V，最大5．2V，慢啟動(dòng)時(shí)間6 ms，開關(guān)頻率700 kHz。同樣，這時(shí)軟件自動(dòng)生成5V轉(zhuǎn)3．3V的電路圖(略)。

在swift designer軟件的幫助下，使設(shè)計(jì)變得靈活和簡(jiǎn)便。要獲得正確的上電次序，設(shè)計(jì)中還應(yīng)做一些調(diào)整。將TPS5431 2的PWRGD腳接至TPS54616的SS／ENA腳，如圖2中原理圖所示，同時(shí)接成上拉狀態(tài)。這樣，只有當(dāng)TPS54312輸出電壓大于1．2 V*90％時(shí)，腳PWRGD輸出為低，從而使能TPS54616，產(chǎn)生3．3 V的電壓輸出，從而獲得正確的上電次序要求。在TPS54312輸出電壓沒有達(dá)到要求時(shí)，TPS54616被上拉，不能產(chǎn)生3．3 V輸出。這樣通過慢啟動(dòng)時(shí)間的設(shè)置和對(duì)使能端引腳的控制兩重保險(xiǎn)．可以完全確保正確的上電延時(shí)和上電次序。同時(shí)，我們可以根據(jù)不同芯片對(duì)上電延時(shí)和上電的次序進(jìn)行靈活調(diào)整，滿足上電要求。

4 仿真分析
swift designer軟件還提供了初步的仿真分析，能直觀地給出分析表，循環(huán)響應(yīng)圖，輸入電壓抖動(dòng)的影響圖，效率圖和PCB布線圖。下面是一系列相關(guān)仿真分析。

從仿真可以看出，設(shè)計(jì)所采用的電源轉(zhuǎn)換具有較高的轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)由于輸入抖動(dòng)而帶來的影響也在系統(tǒng)可接受范圍之內(nèi)，加上外圍電容濾波后，輸出電壓紋波效果還會(huì)有所改進(jìn)。由于軟件沒有對(duì)上電次序的先后給出直觀仿真，但通過對(duì)兩電源芯片慢啟動(dòng)時(shí)間的設(shè)置先后和使能端的控制，系統(tǒng)上電次序得到了較好保證。

5 結(jié) 語

供電模塊設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)良好運(yùn)行意義重大，尤其對(duì)一些特殊供電要求的高性能器件而言更是如此。在電源模塊的設(shè)計(jì)中，要綜合考慮系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)靈活性，實(shí)現(xiàn)難易程度，成本、效率、封裝等相應(yīng)因素，從而做出全面的、折衷的考慮，以尋求最佳的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過在雷達(dá)信號(hào)處理板上的實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)滿足各項(xiàng)電壓、電流和功耗要求，同時(shí)由于采用較好的上電次序設(shè)計(jì)，保證了ADSPTSl01的內(nèi)核先于IO上電，從而使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性得到了較好保證。