適用于語(yǔ)音通信和數(shù)據(jù)通信的新型電源系統(tǒng)
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如今新型廣播設(shè)備系統(tǒng)向著融合多媒體，語(yǔ)音通信和數(shù)據(jù)通信的方向飛速發(fā)展。因此在設(shè)計(jì)該類新型系統(tǒng)(例如高清晰度視頻交換系統(tǒng)與多功能視頻格式轉(zhuǎn)換器)時(shí)，除了要仔細(xì)挑選適當(dāng)?shù)男盘?hào)路徑芯片，也要選擇合適的電源管理方案。毫無(wú)疑問(wèn)，好的電源管理方案可以提高信號(hào)路徑的性能。由于多媒體，語(yǔ)音通信和數(shù)據(jù)通信等廣播視頻提供了綜合的信號(hào)路徑應(yīng)用解決方案而其產(chǎn)品具有先進(jìn)性能，例如，在傳送距離較長(zhǎng)時(shí)，信號(hào)仍可保持清晰而功耗也較少，信號(hào)抖動(dòng)較少，而且封裝小巧，因此只占用很少的電路板面積。于是相應(yīng)的對(duì)其數(shù)字電路應(yīng)提供優(yōu)化的電源方案就成為是專業(yè)視頻廣播設(shè)備系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
1 為數(shù)字電路提供優(yōu)化的電源方案的理念
信號(hào)是整個(gè)廣播視頻應(yīng)用的主要元素。當(dāng)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)時(shí)，必須確保整個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程準(zhǔn)確無(wú)誤。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)字音／視頻信號(hào)都由DSP或?qū)Ｓ肧oC負(fù)責(zé)處理。此外，也可能用到FPGA、存儲(chǔ)器及其他數(shù)字電路。
由于整個(gè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程功耗很大，因此必須周密考慮選擇數(shù)字供電電源。挑選產(chǎn)品時(shí)要考慮系統(tǒng)是否有DSP、FPGA、微處理器或存儲(chǔ)器?是否帶有散熱管理IC以簡(jiǎn)化復(fù)雜電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)？系統(tǒng)設(shè)計(jì)按甚么性能進(jìn)行優(yōu)化等，然后再根據(jù)優(yōu)化性能將決定采用何種方案。
為此，在優(yōu)化的電源方案設(shè)計(jì)時(shí)要考慮五個(gè)因素：即效率、方案大小、易用性、性能及散熱性。效率是應(yīng)用同步開關(guān)穩(wěn)壓器與多輸出穩(wěn)壓器；方案大小是指線性穩(wěn)壓器、開關(guān)電容器穩(wěn)壓器、高集成度開關(guān)穩(wěn)壓器及多輸出穩(wěn)壓器；而易用性是指線性穩(wěn)壓器、SIMPLESWITCHER與高集成度開關(guān)穩(wěn)壓器；性能是指大電流控制器、高集成度開關(guān)穩(wěn)壓器與多輸出穩(wěn)壓器；散熱性是指散熱管理IC。
其效率、方案大小、易用性、性能及散熱性五個(gè)因素中重要的是系統(tǒng)規(guī)定的技術(shù)參數(shù)，它們分別是輸入電壓與最大輸出電流及輸出通道。而輸入電壓應(yīng)有VIN<7V與7VIN<25V及VIN<25V等三個(gè)指標(biāo)；而最大輸出電流應(yīng)有<1A與<3A及>10A等三個(gè)指標(biāo)；而輸出通道應(yīng)有單輸出與多輸出等二個(gè)指標(biāo)。
2 為數(shù)字電路提供優(yōu)化的電源芯片例舉
2.1具有I2C兼容控制接口的高集成度電源管理器件(帶雙通道大電流降壓穩(wěn)壓器及雙通道線性穩(wěn)壓器)的LP3906型芯片.
主要特征：與高級(jí)應(yīng)用處理器及FPGA芯片兼容,有兩個(gè)LDO可為處理器內(nèi)核及I／O口供電以及可獨(dú)立控制芯片功能及設(shè)定的高速串行接口,其內(nèi)部有高精度電壓參考電路與過(guò)熱保護(hù)及過(guò)電流保護(hù)技術(shù),并可可利用軟件設(shè)定參數(shù). LP3906型芯片外形小尺寸5 x 4 x 0．8 mm LLP-24封裝.
相關(guān)應(yīng)用：可在FPGA及數(shù)字信號(hào)處理器核心的供電系統(tǒng)與應(yīng)用處理器與外圍設(shè)備I／O口等裝置上供電。
2.2 寬輸入電壓范圍的2A、500kHz雙輸出降壓穩(wěn)壓器的LM26400Y型芯片
主要特征：輸入電壓范圍與電流輸出分別為3V至20V和兩個(gè)2A輸出，而輸出電壓可調(diào)低至0.6V，有內(nèi)部補(bǔ)償與內(nèi)置啟動(dòng)二極管和500 kHz的PWM開關(guān)頻率,可應(yīng)用獨(dú)立的使能引腳與獨(dú)立的軟啟動(dòng)引腳,獨(dú)特的頻率回折防護(hù)功能,是75 mΩ的NMOS開關(guān)。同樣具有過(guò)電流保護(hù)與過(guò)熱停機(jī)功能，為有eTSSOP-16及LLPl6兩種封裝。圖1為由LM26400Y型芯片引腳功能與應(yīng)用連接的電源示意圖。
圖1為由LM26400Y型芯片引腳功能與應(yīng)用連接的電源示意圖。
相關(guān)應(yīng)用：可在DTV—LCD、機(jī)頂盒、XDSL終端與汽車電子、電腦外圍設(shè)備、工業(yè)控制及負(fù)載點(diǎn)等裝置上供電。
3 散熱管理IC簡(jiǎn)化了當(dāng)今要求復(fù)雜電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)
在當(dāng)今日益復(fù)雜的許多電子系統(tǒng)中，通過(guò)分布于整個(gè)系統(tǒng)的許多分立傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)和控制溫度、電壓和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,從而不利于對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)。
ADT7462是一種靈活的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)IC，適用于多種應(yīng)用。它能夠監(jiān)測(cè)溫度和電壓，控制設(shè)備風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，并且它帶有數(shù)字引腳、報(bào)警輸入和輸出，采用32引腳LFCSP小型封裝提供上述全部功能。
除了監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，該芯片還能監(jiān)測(cè)三個(gè)遠(yuǎn)程位置的溫度。使用這種溫度信息，ADT7462可以監(jiān)測(cè)四臺(tái)風(fēng)扇以控制和調(diào)節(jié)溫度。增強(qiáng)的聲學(xué)特性和動(dòng)態(tài)TMIN特性為聲音敏感的應(yīng)用保證風(fēng)扇非常安靜地運(yùn)轉(zhuǎn)。該芯片可以監(jiān)測(cè)多達(dá)8臺(tái)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，當(dāng)風(fēng)扇停機(jī)或轉(zhuǎn)速下降到預(yù)置轉(zhuǎn)速下限時(shí)提供報(bào)警輸出指示。
ADT7462還集成了其它一些功能以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，無(wú)需折衷電池功耗。它能夠監(jiān)測(cè)多達(dá)13路電壓，包括一個(gè)專用VBATT輸入以監(jiān)測(cè)紐扣電池，而無(wú)需耗費(fèi)電池本身的電能。外殼干擾輸入可以用來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)外殼是否受到干擾，甚至關(guān)機(jī)系統(tǒng)。
主要特征：
1個(gè)本地和3個(gè)遠(yuǎn)端溫度通道,有遠(yuǎn)端通道串聯(lián)電阻補(bǔ)償及多達(dá)4個(gè)PWM風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)輸出，可支持高頻和低頻PWM輸出,又有多達(dá)8通道TACH輸入與自動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制環(huán)路,可監(jiān)測(cè)3線和4線風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速與監(jiān)測(cè)多達(dá)13個(gè)電壓輸入及監(jiān)測(cè)多達(dá)7個(gè)電壓識(shí)別碼(VID) 輸入,并包括動(dòng)態(tài)TMIN控制與外殼干擾檢測(cè),可雙向復(fù)位。工作電壓為3．3 V和5 V, 擴(kuò)展溫度范圍為-40℃一十125℃.尤其獨(dú)特的是它與SMBus 1.1和SMBus 1.0總線兼容。圖2為ADT7462引腳功能與外部裝置連接電源功能示意圖。
圖2為ADT7462引腳功能與外部裝置連接電源功能示意圖
應(yīng)用：可在服務(wù)器和個(gè)人計(jì)算機(jī)、醫(yī)學(xué)圖像處理和診斷設(shè)備、通信設(shè)備及測(cè)試設(shè)備和測(cè)量?jī)x器上使用。
4 LM26400Y穩(wěn)壓器為多重電軌系統(tǒng)供電應(yīng)用舉例
現(xiàn)今典型的電子系統(tǒng)均設(shè)有多條直流電壓軌由負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器來(lái)供電。供應(yīng)這些穩(wěn)壓器的輸入電軌可以是交流電適配器、中間總線、電池又或是一個(gè)USB電源軌。通常，最好是能找到一個(gè)電源解決方案能夠處理相對(duì)比較寬闊的輸入范圍，有一定的集成度和簡(jiǎn)單易用。LM26400Y雙重降壓開關(guān)穩(wěn)壓器便是針對(duì)這種應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它不單擁有3V至20V的寬闊輸入電壓范圍，并且具備90％的保證最高工作周期，因此能夠處理各式各樣的降壓轉(zhuǎn)換工作。LM26400Y器件內(nèi)部綜合有一個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)內(nèi)部環(huán)路補(bǔ)償，其兩種封裝TSSOP和LLP均提供有一個(gè)外露墊，能夠讓熱量從電路片散發(fā)出去電路板。
4.1可提高靈活性的功能特色
圖3是LM26400Y穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)化方塊圖，該器件特設(shè)有獨(dú)立的軟起動(dòng)啟動(dòng)腳和內(nèi)部的自舉二極管。穩(wěn)壓器的時(shí)序可由在不同的速率下觸發(fā)軟起動(dòng)接腳而控制。對(duì)于一些沒(méi)有自舉偏置的系統(tǒng)，器件中的集成式自舉二極管則可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。兩條通道之間的切換頻率均同樣是500 KHz，但相位差為180度，以便削減輸入電容內(nèi)的交流電流。
圖3 LM26400Y穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)化圖
4.2 FPGA的上電
LM26400Y會(huì)在4.75V至13.2V的輸入電壓范圍下供電給FPGA。圖3中的例子采用了一個(gè)以FPGA為基的子系統(tǒng)，其在芯片內(nèi)擁有六個(gè)需要受電的功能： 電源VCCINT,功能-芯流核，電壓為1.2V；電源VCCAUX，功能-輔助，電壓為2.5V；電源VCC0 0-3,功能為4 I／0Banks0-3，電壓為1.2V／1.5／1.8／2.5／3.3V。
為了有效地配合不同的緩沖器標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行介接，器件中的四個(gè)I／O組能夠在五個(gè)不同的電壓級(jí)下工作。
假如要為FPGA設(shè)計(jì)一個(gè)合適的電源方案，那必須了解多一點(diǎn)關(guān)于應(yīng)用的信息。芯片上六個(gè)功能所要求的功率可視乎利用比率的不同而產(chǎn)生劇烈的變化。
VCCAUX和VCCO 0屬于同一個(gè)電壓級(jí)并且可以共用一個(gè)穩(wěn)壓器?？墒牵谶@個(gè)例子中，VCCO 0需要獨(dú)立地上電以滿足外圍器件的上電順序，因此一共有四條電壓軌會(huì)被使用。
所有四條電軌都可個(gè)別地緩升，只要在0.2毫秒至50毫秒之內(nèi)而且在單調(diào)的方式下，它們可一直升高直至達(dá)到其標(biāo)稱值為止。對(duì)于這個(gè)要求，唯一要考慮的是VCCINT。根據(jù)數(shù)據(jù)表中的信息，假如VCCINT排得比VCCAUX更早，那在VCCINT軌上便可能帶有過(guò)剩電流(典型為366 mA)，并且會(huì)在VCCINT到達(dá)0.5V后在某處出現(xiàn)。
放置FPGA的電路板會(huì)被插入到兩類系統(tǒng)，一種供應(yīng)12V±10％的輸入，而另一種則提供5V±5％的輸入。FPGA穩(wěn)壓器需要處理由4.75V至13.2V的輸入范圍，由于在 12V輸入下的功率損耗大得難以接收，故此在這里并不能采用線性方案。
根據(jù)以上的估計(jì)，再加上一點(diǎn)安全保證，那VCCINT和VCCO 0個(gè)別需要兩個(gè)高至2A的開關(guān)器、VCCAUX則需要一個(gè)大約1A的開關(guān)器、以及一個(gè)大約1．5A的開關(guān)器會(huì)供VCCO 1、VCCO 2和VCCO 3使用。一個(gè)LM26400Y穩(wěn)壓器可用來(lái)產(chǎn)生VCCINT和VCCAUX，而另一個(gè)則可用來(lái)產(chǎn)生I／O。圖4表示出VCCINT(1.2V)和VCCAUX(2.5V)電源的原理圖。
圖4表示出VCCINT(1.2V)和VCCAUX(2.5V)電源的原理圖
從FPGA的起動(dòng)特性可知。雖然兩條通道共用一個(gè)15 nF的軟起動(dòng)電容器，但VCCAUX的上升會(huì)比VCCINT快一倍，原因是前者具有較大的分壓比率。這樣，電源設(shè)計(jì)人員便可避免之前所提及的數(shù)百毫安過(guò)剩電流。至于另外的兩條FPGA電軌，VCCO 0(2．5)的電路采用與VCCAUX一樣的設(shè)計(jì)，而VCCO1／2／3(3．3V) 電路的情況亦都一樣，除了上層的回饋電阻器之外。VCCO 電路的啟動(dòng)接腳沒(méi)有被連到輸入電壓，是因?yàn)橥鈬骷臐撛陧樞蛞蟆?/p>
兩個(gè)獨(dú)立的ON信號(hào)會(huì)由系統(tǒng)所產(chǎn)生，它們會(huì)獨(dú)立地啟動(dòng)VCCO電路。此外，它們都同時(shí)擁有獨(dú)立的軟起動(dòng)電容器，每個(gè)的電容值都是15 nF。
5 可滿足處理器內(nèi)核電壓要求的新型PTH系列電源模塊技術(shù)
當(dāng)今的高性能處理器對(duì)于電源都有很嚴(yán)格的要求。一般來(lái)說(shuō)，電源需要至少兩個(gè)電壓。一個(gè)電壓用于滿足處理器內(nèi)核電壓要求，即VCORE，而其它電壓則用于滿足輸入輸出電壓要求，即VIO。
內(nèi)核電壓要求介于O.9V—1.3V之間，且通常取決于具體的處理器性能標(biāo)準(zhǔn)。最新的內(nèi)核電源電壓容差通常為±3％。大瞬態(tài)電流的出現(xiàn)使得推出可靠的處理器電源這一任務(wù)更具挑戰(zhàn)性。
為解決這些難題，己采用插入式快速瞬態(tài)響應(yīng)電源模塊系列，這些高性能產(chǎn)品設(shè)計(jì)旨在提供結(jié)構(gòu)緊湊、低成本且穩(wěn)定可靠的處理器內(nèi)核電源。
*對(duì)THS320TCl648x數(shù)字信號(hào)處理器提供優(yōu)化的電源
新型TMS320TCl648數(shù)字信號(hào)處理器是一個(gè)很好的高性能處理器范例。但該數(shù)字信號(hào)處理器的電源在電壓容差、噪聲以及瞬態(tài)方面有要求。如上述TMS320TCl648x DSP的要求：內(nèi)核電壓(VcoRE)=1V；VcoRE 容差為3％(DC容差為1.5％，交流瞬態(tài)為1.5％)；最大瞬態(tài)電流=5A；瞬態(tài)的最大峰值電壓偏差= VcoRE。
由于存在大的瞬態(tài)電流，利用傳統(tǒng)的解決方案幾乎不可能滿足±3％容差以及1V內(nèi)核電壓的要求。通常需要一款定制的電源模塊或采用專用控制設(shè)計(jì)的完全分立的解決方案。
*新型PTH系列電源模塊應(yīng)用
新型PTH系列插入式電源模塊(屬第二代)包括非隔離式負(fù)載點(diǎn)電源模塊系列(如PTH04T230W型)與超高速瞬態(tài)響應(yīng)模塊系列(如PTH04T230F),它們具有一種稱為TurboTrans的新型特性。該TI的TurboTrans技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)人員按客戶具體要求來(lái)完成電源模塊的控制設(shè)計(jì)，以滿足目標(biāo)電壓偏差規(guī)范。這些PTH系列的產(chǎn)品具有如下三個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。
輸出電容降低高達(dá)8倍。更少的電容可以節(jié)省成本及PCB空間。在高負(fù)載瞬態(tài)應(yīng)用中，這兩方面的節(jié)省可與模塊本身的成本相當(dāng)。
更快速的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。對(duì)于輸出電容的一個(gè)給定值而言，設(shè)計(jì)人員可看到在一個(gè)負(fù)載瞬變之后輸出電壓峰值偏差會(huì)減少高達(dá)50％。
提高超低ESR電容器的穩(wěn)定性?？煞判牡夭捎米钚碌腛scon電容、聚合物鉭電容或所有陶瓷輸出電容，而不用擔(dān)心穩(wěn)定性的問(wèn)題。
作為第二代PTH產(chǎn)品的一部分，這些產(chǎn)品設(shè)計(jì)旨在滿足高速處理器(如TMS320TCl648x系列)頗具挑戰(zhàn)性的電源要求。其控制設(shè)計(jì)得到了充分補(bǔ)償，超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)T2模塊的補(bǔ)償。從而實(shí)現(xiàn)了在瞬態(tài)響應(yīng)方面的更多改進(jìn)，并因減少了輸出電容而降低了成本。
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