基于TPS54350的紅外熱像儀電源設(shè)計
紅外熱像儀是一種利用紅外探測器將看不見的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見圖像的被動成像儀器,其對紅外圖像實時處理的特點要求配套DSP有很高的處理速度。而且,紅外設(shè)備熱敏性高,易受溫度等環(huán)境因素的影響,在不同的應(yīng)用場合需要不同的處理方法。因此,一個穩(wěn)定而可靠的電源系統(tǒng)是至關(guān)重要的。本系統(tǒng)采用了TMS320DM6437來實現(xiàn)電源系統(tǒng),可根據(jù)環(huán)境的變化而采用不同的算法和參數(shù)。
根據(jù)TMS320DM6437的數(shù)據(jù)手冊,其需要VCORE (1.2V)、VDDR(1.8V)和VI/O(3.3V)三種電源,內(nèi)核電源的最大電流為597mA,而I/O電源的最大工作電流是25mA。另外,還需考慮上電順序。同時,熱像儀的調(diào)焦電機(jī)需12V電源,其他IC選用3.3V器件,因此,整個系統(tǒng)需12V,3.3V,1.8V及1.2V四種電壓。
電源系統(tǒng)設(shè)計
TPS54350是具有內(nèi)部MOSFET的高效 DC/DC轉(zhuǎn)換器,連續(xù)輸出電流為3 A時,支持輸入電壓范圍為4.5~20V,可使設(shè)計人員直接通過中壓總線(而非依賴額外的低電壓總線)為DSP、FPGA和微處理器供電。TPS54350構(gòu)成的DC/DC轉(zhuǎn)換器效率高達(dá)90%以上,非常適用于低功耗的液晶顯示屏、監(jiān)視器、液晶電視機(jī)、硬盤驅(qū)動器、視頻圖像卡以及9V或12V墻式適配器的負(fù)載穩(wěn)壓裝置。TPS54350的輸出電壓可調(diào)低至0.891V(精確度為1%);PWM 頻率固定為250kHz、500kHz或250~700kHz的可調(diào)節(jié)范圍,還具有完善的保護(hù)功能。因此,TPS54350符合系統(tǒng)設(shè)計要求。
1 TPS54350引腳功能
VIN:電壓輸入引腳,范圍為4.5~20V,必須旁路連接一個低等效串聯(lián)電阻(ESR)的10μF陶瓷電容器。
UVLO:欠壓閉鎖輸出。
PWRGD:開漏輸出。該引腳為低電平時,表示輸出低于期望的輸出電壓值。
RT:頻率設(shè)置引腳。在RT引腳與模擬地(AGND)之間接一個電阻器來設(shè)置轉(zhuǎn)換頻率。將RT引腳與地連接或是懸空,可以來得到一個內(nèi)部的備選頻率。
SYNC:雙向I/O同步引腳,當(dāng)RT引腳懸空或置低時,SYNC為輸出;當(dāng)它與一個下降沿信號連接時,亦可作為一個輸入端口來同步系統(tǒng)時鐘。
ENA:使能引腳,低于0.5V時,芯片停止工作;懸空時被使能。
COMP:誤差放大器輸出。
VSENSE:誤差放大器轉(zhuǎn)換節(jié)點,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8.0V偏置電壓,引腳要接一個0.1μF的陶瓷電容。
PH:相位,與外部LC濾波器連接;
BOOT:在BOOT引腳與PH引腳之間連接一個0.1μF的陶瓷電容。
2 電路分析
① 輸出電壓可調(diào)
TPS54350的輸出電壓是可調(diào)的,如圖1所示,通過改變電阻R2 的值來得到期望的輸出電壓值。R2的計算公式為:
R2=(R1×0.891)/(V0-0.891) (1)
圖1中的輸入電壓為12V,為得到3.3V的輸出電壓,將R1取一定值1kΩ,此時根據(jù)公式(1)計算可得,R2=374Ω。
圖1 12V轉(zhuǎn)3.3V/1.8V典型電路
[!--empirenews.page--]表1為當(dāng)R1為10kΩ時,幾種輸出電壓下R2的推薦值。
輸出電壓 R2(kΩ)
1.2 28.7
1.5 14.7
1.8 9.76
2.5 5.49
3.3 3.74
同理,要得到1.8V的輸出電壓,將R12取1kΩ,則R7應(yīng)為976Ω。
② 設(shè)置上電順序
如圖1所示,產(chǎn)生3.3V電壓的U1的PWRGD引腳接至產(chǎn)生1.8V電壓的U2的SS/EN引腳。這樣,即使電容擊穿,在開始上電時,產(chǎn)生3.3V電壓的U1輸出未達(dá)到閾值,PWRGD輸出低電平,產(chǎn)生1.8V電壓的U2處于關(guān)閉狀態(tài),直至3.3V電壓穩(wěn)定,這樣可確保3.3V先上電;掉電時,U1的輸出低于閾值,PWRGD引腳輸出低電平,U2的輸出關(guān)斷,保證1.8V先斷電。根據(jù)上述原理,在紅外熱像儀中采用一片TPS54350給DSP內(nèi)核供1.2V電壓,另兩片54350分別給DSP外圍I/O提供3.3V電壓及1.8V的DDR電壓,設(shè)置上電順序為1.2V→3.3V→1.8V。
電壓監(jiān)控與復(fù)位電路
在紅外成像儀系統(tǒng)中,由于視頻電路的高頻特性,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對工作電壓要求較高,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始終處于復(fù)位狀態(tài),一旦監(jiān)控的電壓值達(dá)到規(guī)定的門限電壓,則釋放復(fù)位,DSP即可正常工作。在工作中,如果監(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。
TPS3808是TI公司的一款具有低靜態(tài)電流、可編程延遲的監(jiān)控電路。主要參數(shù)包括:輸入電壓范圍1.8~6.5V,上電復(fù)位可調(diào)整延遲時間1.25ms~10s,典型靜態(tài)電流2.4μA,高精度門限0.5%。
當(dāng)TPS3808的SENSE引腳電壓低于門限電壓或MR有效時,復(fù)位引腳輸出復(fù)位信號,CT引腳用來設(shè)定復(fù)位延遲時間,若懸空延遲時間為20ms,通過電阻連接至VDD則延遲時間為300ms,也可通過電容接地,根據(jù)電容值的不同可將延遲時間設(shè)定為1.25ms~10s,電容值的計算公式如下:
CT(nF)=[tD(s)-0.5×10-3(s)]×175 (2)
本系統(tǒng)采用TPS3808G12、TPS3808G18和TPS3808G33分別對1.2V,1.8V和3.3V電壓進(jìn)行監(jiān)控,三者的門限電壓分別為1.12V、1.67V和3.07V,當(dāng)輸入電壓低于門限電壓時,DSP就會收到復(fù)位信號,從而對電路進(jìn)行了保護(hù)。另外,TPS3808還具有一個手動復(fù)位信號MR,可通過復(fù)位按鈕手動復(fù)位。
圖2 TPS3808典型應(yīng)用電路
結(jié)語
經(jīng)使用證明,以高性能DC/DC調(diào)節(jié)器TPS54350為核心設(shè)計的紅外熱像儀電源電路,能夠提供穩(wěn)定精準(zhǔn)的電壓,且能保證正確的上電時序。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。