基于 TPS54310的雷達視頻信號模擬器的電源設(shè)計

1 引言
    雷達視頻信號模擬器是調(diào)試雷達信號處理機的重要設(shè)備，具有模擬環(huán)境和目標(biāo)視頻回波信號功能，用于評估雷達信號處理器性能。由于模擬生成雷達視頻信號需要大量運算，為了保證系統(tǒng)的實時性，采用TI公司的TMS320C6713B DSP作為信號合成的核心元件，采用XIUNX的Spartan-IIE系列FPGA控制系統(tǒng)時序邏輯，從而增加系統(tǒng)設(shè)計的靈活性，簡化設(shè)計。由于TMS320C6713B DSP的MW核電壓為1．2 V,外圍I／O電壓為3．3 V;而FPGA的內(nèi)核電壓為1．8 V，外圍I／O電壓為3．3 V，所以電源系統(tǒng)至少需要產(chǎn)生三種電壓。另外，必須考慮上電順序,如果只有DSP或FPGA的內(nèi)核獲得供電,外圍I／O無供電,則不會損壞器件的,僅無輸入／輸出：反之，如果外圍I／O獲得供電而CPU內(nèi)核無供電,那么器件緩沖／驅(qū)動部分的三極管將工作于未知狀態(tài)，這是非常危險的?？紤]到DSP的功耗較大，且本系統(tǒng)要求多片DSP同時工作，若采用線性電源。必產(chǎn)生較大的熱損耗，因此采用輸出電壓可調(diào)、高轉(zhuǎn)換率的開關(guān)電源實現(xiàn)電源系統(tǒng)的設(shè)計。

2 電源系統(tǒng)設(shè)計
    本系統(tǒng)設(shè)計采用低電壓輸入、大電流輸出的同步PWM降壓式電壓轉(zhuǎn)換器TPS54310實現(xiàn)電源系統(tǒng)設(shè)計,采用TPS54310只需少量外圍元件,60 mΩ的MOSFET開關(guān)管可保證在持續(xù)3 A的輸出電流時轉(zhuǎn)換率高于92％；通過配置外圍元件產(chǎn)生0．9 V、1．2 V、1．5 V、1．8 V、2．5 V、3．3 V的電壓，PWM頻率范圍為280 kHz~700 kHz：利用峰值電流限制和熱關(guān)斷實現(xiàn)過載保護：強散熱型PWP封裝具有更好的散熱功能。此外，TI公司還提供該系列電源器件的設(shè)計工具一SWIFT軟件，可輔助完成電源系統(tǒng)設(shè)計，縮短研發(fā)周期。
2．1 內(nèi)核電壓及外圍I/O電壓
    由于TPS54310可通過調(diào)節(jié)外圍電阻的阻值，產(chǎn)生系統(tǒng)所需1．2 V、1．8 V、3．3 V，其各路電壓產(chǎn)生的電路原理圖如圖1～圖3所示，圖1產(chǎn)生1．2 V電壓,圖2產(chǎn)生1．8 V電壓，圖3可產(chǎn)生3．3 V電壓，因各電路原理基本相似，本文以圖1為例說明如何調(diào)整輸出電壓的幅值，以滿足電源系統(tǒng)要求。圖1中只需調(diào)節(jié)R144與R150，使其滿足如下公式：
    R144=(R150×0．890)／(Vo-0．891)              (1)
    R150取10 kΩ,因圖1產(chǎn)生1．2 V的電壓(Vo)，式1可得R144的阻值約為26．1 kΩ。
    本設(shè)計中所有TPS54310的開關(guān)頻率都設(shè)置為700 kHz，該頻率的設(shè)置通過式2計算。以圖1為例，其中fSW為可設(shè)置的開關(guān)頻率，其設(shè)置范同為280kHz～700 kHz，同時要求SYNC保持開路狀態(tài)。
    R136=(100 KΩ/fSW)×500 kHz                   (2)
    故R136的阻值約為71．5 kΩ。
    設(shè)置輸出濾波電路可通過SWIFT軟件計算。

2．2 順序上電
    系統(tǒng)采用TI公司的TMS320C67-13B DSP和Xilinx的Spartan-IIE系列FPGA，這兩種器件均需內(nèi)核電壓和外同I／O電壓。上電時，要保證內(nèi)核先加電,外圍I／O后加電；掉電時,應(yīng)先關(guān)斷外圍I／O電源，再關(guān)斷內(nèi)核電源。
    實現(xiàn)內(nèi)核電壓與外圍I／O電壓的順序供電,可通過調(diào)整TPS54310的SS／ENA引腳所連接的電容并利用其PWRGD和SS／ENA信號滿足順序供電要求。SS／ENA引腳通過一只小容量電容接地,實現(xiàn)使能、輸出延遲和電壓上升延遲，其延遲時間與容值成正比：

    其中：td為輸出延時時間（s）；C（88）為SS／ENA引腳所接電容(μF)；t(SS)為輸出電壓上升延遲時間(s)。本系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)核電壓電路中C(SS)=0．039μF，如圖1、圖2所示。而外圍I／O電壓電路中C(SS)=0．1 μF，如圖3所示。根據(jù)式(3)、式(4)計算內(nèi)核電壓的td、t(SS)分別為9.36 ms和5．46 ms；外圍I／O電壓的td、t(SS)分別為24 ms和14 ms。將產(chǎn)生內(nèi)核電壓的TPS54310的PWRGD引腳接至SS／ENA引腳,這樣，即使電容擊穿，在開始上電時,產(chǎn)生內(nèi)核電壓的TPS54310的輸出未達到閾值，PWRGD輸出低電平，產(chǎn)生外圍I／O電壓的TPS54310處于關(guān)閉狀態(tài)，直至內(nèi)核電壓穩(wěn)定。這樣可確保內(nèi)核先上電：掉電時，產(chǎn)生內(nèi)核電壓的TPS54310的輸出低于閾值，PWRGD引腳輸出低電平，產(chǎn)生外圍I／O電壓的TPS54310的輸出關(guān)斷，保證外圍I／O先斷電。

3 電壓監(jiān)控與復(fù)位電路
    在雷達視頻信號模擬器的設(shè)計中，由于視頻卡電路的高頻特性，開關(guān)的電磁輻射和線路噪聲都將干擾電路的器件工作電壓。且DSP、FPGA對其工作電壓要求較高，偏差不能超過5％，一旦工作電壓超出該偏差，長時間工作容易縮短器件壽命甚至燒
毀。因此，系統(tǒng)設(shè)計需要通過電壓監(jiān)控電路實時監(jiān)控器件工作電壓，確保系統(tǒng)提供穩(wěn)定正常的電壓。
    電壓監(jiān)控電路的工作原理：系統(tǒng)上電期間，監(jiān)控器件的復(fù)位信號保持有效，使DSP和其他器件始終處于復(fù)位狀態(tài)，一旦監(jiān)控的電壓值都達到規(guī)定的門限電壓，則釋放復(fù)位，DSP等器件即可正常工作。在工作過程中，如果任一監(jiān)控電壓低于門限值，監(jiān)控器件再次發(fā)送復(fù)位信號使系統(tǒng)復(fù)位。
    電壓監(jiān)控與復(fù)位電路采用TI公司的TPS3307-18D實現(xiàn)。TPS3307-18D是一款微處理器電源控制器，可同時輸出高電平有效和低電平有效的復(fù)位信號；同時監(jiān)控三路獨立的電壓：3．3 V、1．8 V、可調(diào)電壓；具有內(nèi)部定時器，復(fù)位后即使監(jiān)控電壓均已
超過門限值，仍需200 ms才能退出復(fù)位狀態(tài),這樣可確保系統(tǒng)在復(fù)位期間完成初始化。本系統(tǒng)的DSP、FPGA等器件的復(fù)位信號均是低電平有效,因此采用TPS3307-18D的RESET信號實現(xiàn)復(fù)位,采用RESET作為復(fù)位指示，實現(xiàn)系統(tǒng)中的3．3 V、1．8 V、1．2 V(放大到3．6 V)的電壓監(jiān)控，電壓監(jiān)控與復(fù)位電路如圖4所示。只要TPS3307-18D的供電電壓高于1．1 V，當(dāng)所監(jiān)控電壓中任意一個電壓低于其門限值，就可發(fā)出復(fù)位信號，使相關(guān)器件復(fù)位。另外，TpS3307-18D還具有一個手動復(fù)位信號,通過復(fù)位按鈕手動復(fù)位。

4 PCB布局及外圍器件選擇
    由于開關(guān)DC-DC存在高頻干擾,故在PCB布局及外圍器件選擇時應(yīng)注意合理布線及選擇恰當(dāng)?shù)耐鈬骷?，能有效降低開關(guān)噪聲。布線中應(yīng)注意的是：輸出電容的位置要靠近電感的輸出端：功率電感布線要盡量寬；誤差放大器的反饋輸入端要遠離功率電感等。為使TPS54310在大負載下正常工作，要使其熱焊盤大面積接地，加快散熱；而其外圍器件則應(yīng)選用帶有屏蔽罩的功率電感和低ESR的輸出電容。

5 結(jié)束語
    經(jīng)使用證明，本系統(tǒng)設(shè)計的電源系統(tǒng)能為雷達視頻模擬器提供穩(wěn)定的電源，同時轉(zhuǎn)換率高達92％、輸出電壓紋波小于0．05 V、輸出功率最大可達19 W、動態(tài)響應(yīng)快。另外，電壓監(jiān)控與復(fù)位電路使整個系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作，同時也避免因電壓波動而造成DSP加載異常，所以本系統(tǒng)設(shè)計的電源系統(tǒng)也適用于其他DSP系統(tǒng)應(yīng)用場合。