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基于TPS54310的SOC电源电路设计

时间:09-19 来源:3721RD 点击:

  O 引言

  目前,片上系统(SOC)芯片已经在无线通信、工业控制、视频监控等领域得到了越来越广泛的应用,SOC系统需要考虑接口驱动电路、动态电源管理和电源电路等问题,其中,良好的电源电路是成功实现系统功能的重要保障。本文就应用于视频监控的TMS320DM64xx系列SOC外部电源电路的设计进行了讨论。


  1 TMS3320DM64xx系列SOC对电源的要求

  TMS3320DM64xx系列SOC是应用于数字视频的片上处理平台,具有DSP与ARM双核结构,需要内核与I/0两种电源,而内核电源又分为CVDD(1.2V)和CVDDDSP(1.2V),I/0电源分为DVDDl8(1.8V),DVDDR2(1.8V),DVDD33(3.3V)。由于通常TMS3320DM64xx用于嵌入式系统中,因而,电源电路设计不仅要考虑电压的精度、稳定度和外围电路的复杂度等问题,还要考虑低功耗问题,另外根据设计工艺,为了保证芯片正常工作,在系统上电、关机及稳压操作时,对这几种电源还有一定的排序要求,如果违反该要求,可能降低器件的性能或永久损坏器件。

  图1(a)、图1(b)分别显示的是内核电源之间以及内核电源与I/0电源之间的上电时序。内核电源的上电时序依赖复位时选择的DSP启动模式:如果DSP初始化模式被配置为自启动模式,要求两个内核电源同时上电;如果DSP被配置为主机启动模式(即ARM启动DSP),要求两个内核电源分别上电,CVIDD优先于CVDDDSP,而CVDDDSP必须在复位信号开启(关闭)之前上电。如图1(b)所示,I/O电源必须在CVDD电源上电后的100ns内上电,各个I/O电源的上电顺序没有要求。

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  根据TMS3320DM64xx SOC的数据手册,内核电源的最大电流为767mA,而I/O电源的最大工作电流是102 mA,参考TI提供的相关方案分析得出,性能优越的TPS543lx(x=0,l,2,3,4,5,6)系列DC/DC调节器符合系统设计要求,其中,TPS54310的输出可调,而没有内部补偿功能;其它芯片的输出不可调,而具有内部补偿。尽管具有内部补偿的芯片能够节约电路板空间并减少芯片总量,但由于多种型号芯片共存会引起调试难度的增大,故采用具有可调输出特性的TPS54310以降低系统调试难度。


  2 TPS54310特性分析

  TPS54310是一款开关电源调节器,其功能原理图如图2所示,能够实现低电压输入和高电流输出(输入电压范围为3~6V,输出电压在0.9~3.3V之间可调,输出电流为3A);内部具有电压误差放大器,能够提高瞬态响应条件下的工作性能;可以分别从内部或外部设置慢启动方式;其良好的电源输出特性可用于处理器/逻辑复位、故障信号检测和连续电源。

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 通过配置相应管脚或对内部编程可以实现以下功能。

  2.1 灵活控制器件的启动/关断特性

  上电过程中,当输入电压不够时,将内部电路置于静止状态,器件不工作;输入电压开始等于并超出正常的起始门限(2.95V)时,激活内部电路,控制器件开始工作。电压稳定后,当输入电压幅度再次降低到关闭门限(2.8V)时,器件停止工作。另外,由于内部比较器的滞后作用和2.5μs上升与下降沿抗尖峰电路的存在,降低了由于混入输入电压内的噪声而引起器件瞬间关断的可能性。

  2.2 自定义启动时间

  通过在SS/ENA(慢启动/芯片使能)管脚和AGND(模拟地)管脚之间加一个小电容(Css)能够达到延长启动时间的目的,延迟时间的计算公式为

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  2.3 设定转换频率

  转换频率可以被设定为固定的350kHz或550kHz内部振荡器频率,也可以被设定为可调的280kHz~700kHz。振荡频率的设定由SYNC和RT管脚共同决定,当SYNC悬空或接地,而RT悬空时,转换频率为350kHz;当SYNC接入大于2.5V的电压,而RT悬空时,转换频率为550kHz;当SYNC悬空,而RT与地之间接入68k到180k之间的电阻时,转换频率为可调的280kHz~700kHz。

  转换频率的计算公式为

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  式中:Fsw为转换频率;R为端接在RT引脚上的电阻值。

  2.4 过电流保护

  判断电流流向,当电流从VIN流向PH时,启动高端场效应管和差分放大器,器件能够感知流经高端场效应管和差分放大器的电流,并将之与过电流门限进行比较,限流操作在每开关周期内进行。当达到限流门限时,高端场效应管会在200ns时间内关断,在吸收电流过量时,由热关断电路进行负载保护。

  2.5 热关断

  当温度超出150℃时,使用热关断电路关闭内部场效应管的电源,当温度低于热关断触发点10℃时,器件停止关断状态,并在慢启动电路的控制下重新开始工作。

 3 基于TPS54310的SOC电源电路设计

  参考SWIFT De signer软件,设计了基于TPS54310的TMS3320DM64xX SOC的三种电源电路,以3.3V I/O电源电路为例(参见图3),其主要步骤如下。

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  3.1 选择转换频率

由前节的特性分析可知,转换频率分为固定和可调两种。由于

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