基于CPCI的嵌入式系统的电源设计

1 引言
嵌入式系统广泛应用于控制和通信领域。而这些系统运行速度高，系统较复杂，常常集成超大规模FPGA器件、DSP器件、DDR存储器以及各种接口电路。这对电源的输出电压值、功耗、电压精度、上电顺序以及电源完整性提出更高的要求。这里介绍一种基于CPCI的嵌入式单板计算机电源的设计方案。该设计主要应用于航空设备和军用车载设备。

2 系统电源需求分析与器件造型
图1为系统整体结构框图。该系统由CPU和与其相连的DDR储存器、PCI接口、时钟、电源、EBC总线以及外部接口电路组成。CPU采用AMCC公司的PowerPC 440EPx。

2．1 系统电源需求
该系统电源较复杂，有多达8种不同的电源电压值，其中5 V和3．3 V由CPCI机箱提供。5 V供给DC／DC器件降压以产生其他电源电压，同时给1553总线的变压器供电。3．3 V是系统主电源，包括USB PHY、时钟器件、FPGA和CPU以及PCI桥器件(PLX6466)的I／O部分等。其他电源电压都是由5V或3．3 V经电源器件降压得到。
表1、2分别为CPU和PCI桥器件的功耗需求，CPU器件对上电顺序没有要求。其中VDD 1．5 V是PPC440EPx的内核电压，SOVDD是CPU的DDR2接口电源；1．8 V为PCI桥的内核电压，VDDIO是PCI桥的接口电源。

该系统采用DDR2作为内存，使用4片Micron公司的MT47H64M16，容量为512 MB。每片DDR2器件的内核、接口和DLL的电源电压都是1．8 V，最大电流为440 mA。另外需特别注意DDR2的VREF以及地址和控制信号的端口接电压VTT，其电压值都是0．9 V。其中，VREF对容差的要求非常严格(小于2％)，不过其对电流的要求较小。而对VTT不仅有严格的容差要求，而且还要求其能在瞬间输出或吸收很大的电流。同时，VREF岍要随着VDD的变化而变化，VTT也要跟踪VREF的变化。通常的LDO难以完成这样的工作，必须采用专用的DDR端接电源器件。
该系统使用Spartan3型FPGA器件XC3S200实现1553收发器以及一些接口电路的设计。该器件使用3个电压内核电压VCCINT(1．2 V)，辅助电压VCCAUX(2．5 V)以及接口电压VCCO(3．3 V)。FPGA内部有上电复位电路，只有当这3个电源信号都达到各自门限电压，才释放该复位信号。因此，对这3个电源信号的上电顺序没有要求。不过，如果 VCCINT先于VCCAUX上电，则会在上电时额外增加几百毫安的瞬时电流。估计FPGA器件功耗可采用基于电子数据表的工具XPower　 Estimator(XPE)或在ISE下直接调用XPower。系统利用XPower软件估计出该设计功耗需求：VCCINT为50 mA，VCCAUX为10 mA。系统使用两片88E1111作为千兆以太网的PHY器件，该器件以2．5 V为砌电压(410 mA)，1．0 V为内核电压(250 mA)。除上述集成电路外，系统还有诸如串行接口、USB接口、时钟等电路，但功耗都较低。从分析可知：1．5 V和1．8 V需要使用大功率的电源器件，DDR2的电源需要专用的电源器件，其他电压的功率要求较小。
2．2 电源器件选型
电源器件主要分为线性稳压器和DC／DC转换器两大类型。LDO属于线性稳压器主要应用于输人和输出压差较小的场合，其特点是：成本低、噪音低、静态电流小、需外接元件少，但其转换效率不是很高，且输出电流一般不是很大。DC／DC转换器的转换效率高、输出大电流、静态电流小。但由于采用PWM控制，其开关噪音较大，成本也相对较高。且外接电路较复杂，一般都需外接开关管、电感及电容。许多新型 DC／DC将开关管集成到器件内部．因此只需外接电感和滤波电容。
根据电源器件的特点，以及对系统电源需求的分析，这两种类型的电源器件在该系统都得到使用。但为简化设计、便于批量生产和物料管理，该系统只使用3个不同型号的电源器件，分别是：LT3501、LDO器件TPS51100和TPS74801。其中，功耗需求较大的1．5 V和1．8 V电源电路采用LT3501实现；DDR2的端接电源和参考电源由器件TPS51100提供；系统的其他电源由TPS74801提供。

3 系统硬件电路设计
由于LDO电路简单及篇幅原因，这里重点讨论LT3501的电路设计，图2为LT3501的电路原理图。

3．1 参数配置
3．1．1 输出电压
输出电压值的选择较简单，由连接在VOUT和VFR间的2只电阻分压得到。其公式为：

图2中，分压电阻为2只精度为1％的电阻R680和R682(分别对应R1，R2)，代入式(1)，计算其输出电压VOUT=1．495 V。
3．1．2 开关频率
LT3501的开关频率由连接在RT／SYNC引脚上的电阻决定，如图3所示。当电阻从15．4 kΩ增加到133 kΩ时，其开关频率从1．5 MHz减小到250 kHz。为减小外连的电感和电容的尺寸，便于PCB设计，开关频率选择较高的f=1．2 MHz。则根据图3所示曲线，其电阻值为20．6 kΩ。

3．1．3 电感值
对于开关电源，电感的取值非常重要。根据LT3501的数据手册公式：