基于TPS6211X的FPGA高效電源設計

l 前言

　　隨著ARM微處理器技術和現場可編程邏輯陣列技術(FPGA)的發(fā)展及其在手持式設備中的應用，手持式設備低功耗、微型化的要求越來越高。作為必然趨勢，節(jié)能將是未來手持式電子設備的必然特性，但是高效率和節(jié)能是一對矛盾，雖然作為手持設備能量來源的鋰電池的容量越來越大，但隨著功能的完善，手持設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換效率和改善電源管理方案。

　　在手持設備中，為了獲得較高的總功率，很多系統的電池電壓都在7 V之上，如7．2 V，9 V，12 V等?；诖?，德州儀器(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降壓轉換器系列器件TPS6211X。該小型集成電路(IC)的電源轉換效率最高可達95％，能夠顯著延長依靠2～3節(jié)鋰電池供電的手持式測試儀表及其他高端手持式設備的電池使用壽命。

2 TPS6211X器件簡介

　　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為可調輸出，輸出電壓范圍是1．2～16 V，其特性可滿足絕大多數手持式設備的電源需求。

2．1 引腳功能說明

　　TPS6211X標準封裝為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

　　該系列器件屬于低紋波電壓噪聲的同步降壓型轉換器，開關頻率典型值為1 MHz，內置FET，不需要額外的MOSFET和穩(wěn)壓管，降低了設計難度，允許設計人員利用更小的外部元件，不必擔心組件效能或轉換效率受到影響，既可節(jié)省板級空間，還能縮短系統設計時間。此外，TPS6211X可與0．8～1．4 MHz的外部頻率訊號同步，設計靈活。

　　圖2a,b是TPS62111和TPs62112在多種輸人電壓下，分別工作在PFM(脈沖頻率調節(jié))模式和PWM(脈沖幅度調節(jié))模式下的電流電壓轉換效率曲線圖。從圖2可以看到，在PFM時，即工作在輕負載時，轉換效率相當高，均能達到90％；而當輸入電壓、內部參數及外接負載變化時，其工作在PWM模式，轉換效率可達85％以上，這對于從7 V以上電壓值直接轉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。當輸入電壓高于5 V時,TPS6211X系列的最大輸出電流可達1．8A，將其用于驅動要求電壓精度較高和電流幅值較大的FPGA器件是很合適的。[!--empirenews.page--]

3 應用和實現

　　與LDO(線性穩(wěn)壓)型電源器件不同，TPS6211X系列器件是DC／DC(開關型)型的電壓轉換器。開發(fā)手持式測試儀表中，ARM和FPGA是兩個主要器件，ARM作為主控器件，承載操作系統，負責全局任務的調度和電源管理，FPGA作為主要的運算單元，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性能。

3．1 FPGA器件簡介及其電源配置分析

　　在研制的手持式測試儀中，采用Cyclone III EP3C40_780的FPGA器件。Cyclone III FPGA是Altera Cyclone系列的第三代產品。CycloneIII FPGA系列前所未有地同時實現了低功耗、低成本和高性能，進一步擴展了FPGA在成本敏感領域中的應用。

　　FPGA器件內核電壓和I／O，電壓的上電時序應遵循一定的順序，即內核上電時間不遲于I／O上電時間。雖然Cy-cloneIII FPGA系列器件對此無特殊要求，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(標準上電模式)內上電，而TPS6211X系列器件的典型的啟動時間為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開發(fā)平臺計算其內部資源的使用情況并估算功耗：1．2 V／3 A(內核電壓和PLL所需數字電壓)，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 電路實現

　　根據選擇的方案2以及TPS6211x的數據手冊，電路連接如圖3和圖4所示。兩個電路中的電感、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極性的陶瓷電容，輸出端電容應采用極性鉭電容，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，以調整輸出電壓精度，其外接電阻分壓網絡中的R3和R4的阻值精度應在5％以上才能得到合適精度的輸出電壓，R3、R4的關系如下：

　　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，其反饋端電阻網絡的阻值選擇按照式(1)可得到。由TPS62112得到5 V的電路與圖4相似，不再重復。

　　需要注意：系統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。當系統某一電壓需要較大的驅動電流時，可以采用并聯的方法滿足要求。在研制的手持式測試儀中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的驅動電流，實踐證明是完全可行的。這種做法不僅可滿足FPGA器件的需求．還能為系統的其他模塊提供一部分支持。

4 結語

　　雖然作為手持設備能量來源的鋰電池的容量越來越大，但隨著功能的完善，手持設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換效率和改善電源管理方案。這里的TPS6211X電源轉換器件在系統里穩(wěn)定，能夠為FPGA器件提供良好的電壓支持，達到了預期的目標。