基于高性能数字信号处理器的供电模块设计

1 引 言  

随着近年来芯片制造技术的不断发展，以及市场对高性能数字信号处理器的需求，新的功能更强，速度更快，功耗更低的数字信号处理器(DSP)产品不断推出，给电路设计带来了极大的方便。但与此同时，这些高性能器件的使用对供电模块的设计提出了更高的要求。高效、稳定、满足上电次序的供电模块设计具有重要意义，将直接影响整个系统的稳定，甚至整个系统的实现。  

当前，DSP、FPGA等芯片的供电方式主要有3种：采用线性电源芯片，采用开关电源芯片，采用电源模块。这3种方式的一个总体对比如表1所示。  


  
线性电源的基本原理是根据负载电阻的变化情况来调节自身的内阻，从而保证输出端的电压在要求的范围之内。由于采用线性调节原理，瞬态特性好，本质上没有输出纹波。但随着输入输出电压差的增大或是输出电流增加，芯片发热会成比例增加，因此线性电源要求有较好的散热处理控制。线性电源的输入电流接近于输出电流，它的效率(输出功率／输入功率)接近于输出／输入电压比。因此，压差是一个非常重要的性能，因为更低的压差意味着更高的效率。LDO线性电源的低压差特性有利于改善电路的总体效率。线性电源对电流输入较小的应用系统提供了一种体积小、廉价的设计方案。  

开关电源利用磁场储能，无论升压、降压或是两者同时进行，都可以实现相当高的变换效率。由于变换效率高，因此发热很小，散热处理得以简化。又由于是开关稳压器电源，与LDO线性电源相比，DC／DC调整器输出纹波电压较大、瞬时恢复时间较慢、容易产生电磁干扰(EMI)。要取得低纹波、低EMI、低噪声的电源，关键在于电路设计，尤其是输入／输出电容、输出电感的选择和布局。因此在三种电源设计方案中，开关电源的设计要较另两种电源设计方案复杂。但由于开关电源设计灵活，耗热小，成本也较低，在系统电源模块设计中，仍不失一种较好的选择。  

电源模块原理上讲是个开关稳压器，效率非常高。相对于普通开关稳压器，它的集成度更高，外围只需要一个输入电容和一个输出电容即能工作，设计简便，适合D要求开发周期非常短的应用。  

2 芯片选型和功能介绍  

由于ADSPTSl01信号处理部分仅是整个系统的一个子部分，结合其他部分的供电要求，FPGA芯片采用ATERA公司的EPlCl2F324，IO电压3．3 V，内核电压1．5 V，ADSPTS101的IO供电压3．3V，内核电压1．2V。其中EPlCl2F324对上电次序的要求并不是太严格，电源设计较为简单，采用AS2830一1．5电源芯片即可达到要求。而ADSPTSl01对上电次序有较为严格的要求，当上电次序没有达到要求时，既使上电后进行复位初始化后，初始状态仍然可能不对。因此，系统电源部分设计的重点在于满足ADSPTS101的上电要求。当然，采用电源模块，如PT*4芯片可以满足设计要求，但基于开关电源和电源模块的比较优势，本系统采用开关电源进行设计。采用的电源芯片为TI公司的TPS54616和TPS54312。  

TPS54616是一款TI公司推出的适合DSP，FPGA，ASIC等多芯片系统供电的电源芯片，是一款低电压输入、大电流输出的同步降压DC／DC调整器，内含30MQ、12 A峰值电流的MOSFET开关管，最大可输出6A电流。输出电压固定3．3V，误差率为1％。开关频率可固定在350 kHz或550 kHz，也可以在280 kHz到700 kHz之间调整。另外，它还具有限流电路、低压闭锁电路和过热关断电路。  

TPS54312也同样是TI推出的一款低电压输入，大电流输出的同步降压DC／DC调整器。所不同的是，TPS54312对于连续3 A的电流高效输出，集成的MOS-FET开关管为60MQ，同时其固定电压输出为1．2V。  

另外，TPS54616和TPS54312均采用集成化设计，减少了元件数量和体积，因此，可广泛用于低电压输入、大电流输出的分散电源系统中。  

TPS54616和TPS54312功能管脚定义类似，其引脚封装分别如图1所示。  


  
以TPS54616为例，简述各引脚功能，TPS54312对应命名相同的引脚功能相似。AGND：模拟地；BOOT：启动输入，应和PH脚间连接一个0．02～O．1μF的电容；NC：不连；PGND：电源地，使用时与AGND单点连接；PH：电压输出端；WRGD：当VSENSE>90％参考电压时，输出为高阻，否则输出为低电平，利用这点，可用于I／O口电压和内核电压的控制，设计出符合要求的上电次序；RT：频率设置电阻输入，选择不同的阻值连接，可设置不同的电源开关频率；SS／ENA：慢启动或输入输出使能控制；FSEL：频率选择；VBIAS：内部偏压调节，与AGND间应连接一个0．1～1μF的陶瓷电容；VIN：外部电压输入；SENSE：误差放大反馈输入，可直接连到输出电压端。  

3 电路设计  

在Protel中搭建原理图，如图2所示。  


  
设计主要考虑了输入滤波、反馈回路、频率操作、输出滤波、延时启动等问题。  

3．1 输入输出滤波  

两电源芯片输入电压均为5 V，为有效虑除输入电源中的高频分量，输入端均接一个10μF的旁路电容。同时，为减少输入纹波电压，各接入一个100μF和180μF的滤波电容。经过这样的组合滤波，可以得到一较为干净的输入电源。在输出端，为了得到质量较好的输出波形，输出滤波网络由一个4．7μH电感及一个470μF和1 000 pF的电容组成。  

3．2 反馈回路  

TPS54312上为直接反馈，经过滤波输出后的电压直接连接到VSENSE上，TPS54616加上一个反馈电阻，作用其实是相同的，都是直接反馈。  

3．3 开关频率设计  

如果让RT脚空接，FSEL接地或接在VIN上，则开关频率为350 kHz或550 kHz。如果采用外接电阻进行开关频率选择，有计算阻值的公式为：R=500 kHz／选择的开关频率×100 kΩ。设计中选用开关频率700 MHz，计算得应接电阻阻值为71．5 kΩ。  

3．4 延时启动  

两芯片均有慢启动和输出输入使能控制功能。通过在脚SS／EN上连接不同容值的电容，可以获得不同的慢启动时间。尽管有专门的计算公式可以进行计算，但这里设计可以利用TI为专门电源设计推出的软件swift desig-ner，可以为设计提供很大的方便。swift designer提供一系列的电源芯片支持设计，包括对TPS54312和TPS54616的支持。  

在swift designer中设置参数，然后按“GO”，软件即能自动按照要求的参数选择电源芯片和搭建好外围电路。设参数为：输出电压1．2V，输出电流3A，输入最小电压4．8V，最大5．2V，慢启动时间3 ms，开关频率700 kHz。软件可以自动生成电路图，软件自动选择的电源芯片是TPS54312，同时外围电路已经连接好。  

同样修改参数，输出电压3．3V，输出电流6A，输入最小电压4．8V，最大5．2V，慢启动时间6 ms，开关频率700 kHz。同样，这时软件自动生成5V转3．3V的电路图(略)。  

在swift designer软件的帮助下，使设计变得灵活和简便。要获得正确的上电次序，设计中还应做一些调整。将TPS5431 2的PWRGD脚接至TPS54616的SS／ENA脚，如图2中原理图所示，同时接成上拉状态。这样，只有当TPS54312输出电压大于1．2 V*90％时，脚PWRGD输出为低，从而使能TPS54616，产生3．3 V的电压输出，从而获得正确的上电次序要求。在TPS54312输出电压没有达到要求时，TPS54616被上拉，不能产生3．3 V输出。这样通过慢启动时间的设置和对使能端引脚的控制两重保险．可以完全确保正确的上电延时和上电次序。同时，我们可以根据不同芯片对上电延时和上电的次序进行灵活调整，满足上电要求。  


  
4 仿真分析  

swift designer软件还提供了初步的仿真分析，能直观地给出分析表，循环响应图，输入电压抖动的影响图，效率图和PCB布线图。下面是一系列相关仿真分析。  


  
从仿真可以看出，设计所采用的电源转换具有较高的转换效率，同时由于输入抖动而带来的影响也在系统可接受范围之内，加上外围电容滤波后，输出电压纹波效果还会有所改进。由于软件没有对上电次序的先后给出直观仿真，但通过对两电源芯片慢启动时间的设置先后和使能端的控制，系统上电次序得到了较好保证。  


  
5 结 语  

供电模块设计对整个系统实现和系统良好运行意义重大，尤其对一些特殊供电要求的高性能器件而言更是如此。在电源模块的设计中，要综合考虑系统要求，设计灵活性，实现难易程度，成本、效率、封装等相应因素，从而做出全面的、折衷的考虑，以寻求最佳的设计方案。经过在雷达信号处理板上的实际应用，设计满足各项电压、电流和功耗要求，同时由于采用较好的上电次序设计，保证了ADSPTSl01的内核先于IO上电，从而使整个系统稳定性和可靠性得到了较好保证。