l 引 言
隨著近年來芯片制造技術(shù)的不斷發(fā)展，以及市場對高性能數(shù)字信號處理器的需求，新的功能更強，速度更快，功耗更低的數(shù)字信號處理器(DSP)產(chǎn)品不斷推出，給電路設計帶來了極大的方便。但與此同時，這些高性能器件的使用對供電模塊的設計提出了更高的要求。高效、穩(wěn)定、滿足上電次序的供電模塊設計具有重要意義，將直接影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定，甚至整個系統(tǒng)的實現(xiàn)。
當前，DSP、FPGA等芯片的供電方式主要有3種：采用線性電源芯片，采用開關(guān)電源芯片，采用電源模塊。這3種方式的一個總體對比如表1所示。
線性電源的基本原理是根據(jù)負載電阻的變化情況來調(diào)節(jié)自身的內(nèi)阻，從而保證輸出端的電壓在要求的范圍之內(nèi)。由于采用線性調(diào)節(jié)原理，瞬態(tài)特性好，本質(zhì)上沒有輸出紋波。但隨著輸入輸出電壓差的增大或是輸出電流增加，芯片發(fā)熱會成比例增加，因此線性電源要求有較好的散熱處理控制。線性電源的輸入電流接近于輸出電流，它的效率(輸出功率／輸入功率)接近于輸出／輸入電壓比。因此，壓差是一個非常重要的性能，因為更低的壓差意味著更高的效率。LDO線性電源的低壓差特性有利于改善電路的總體效率。線性電源對電流輸入較小的應用系統(tǒng)提供了一種體積小、廉價的設計方案。
電源模塊原理上講是個開關(guān)穩(wěn)壓器，效率非常高。相對于普通開關(guān)穩(wěn)壓器，它的集成度更高，外圍只需要一個輸入電容和一個輸出電容即能工作，設計簡便，適合D要求開發(fā)周期非常短的應用。
2 芯片選型和功能介紹
由于ADSPTSl01信號處理部分僅是整個系統(tǒng)的一個子部分，結(jié)合其他部分的供電要求，F(xiàn)PGA芯片采用ATERA公司的EPlCl2F324，IO電壓3．3 V，內(nèi)核電壓1．5 V，ADSPTS101的IO供電壓3．3V，內(nèi)核電壓1．2V。其中EPlCl2F324對上電次序的要求并不是太嚴格，電源設計較為簡單，采用AS2830一1．5電源芯片即可達到要求。而ADSPTSl01對上電次序有較為嚴格的要求，當上電次序沒有達到要求時，既使上電后進行復位初始化后，初始狀態(tài)仍然可能不對。因此，系統(tǒng)電源部分設計的重點在于滿足ADSPTS101的上電要求。當然，采用電源模塊，如PT6944芯片可以滿足設計要求，但基于開關(guān)電源和電源模塊的比較優(yōu)勢，本系統(tǒng)采用開關(guān)電源進行設計。采用的電源芯片為TI公司的TPS54616和TPS54312。
TPS54616是一款TI公司推出的適合DSP，F(xiàn)PGA，ASIC等多芯片系統(tǒng)供電的電源芯片，是一款低電壓輸入、大電流輸出的同步降壓DC／DC調(diào)整器，內(nèi)含30MQ、12 A峰值電流的MOSFET開關(guān)管，最大可輸出6A電流。輸出電壓固定3．3V，誤差率為1％。開關(guān)頻率可固定在350 kHz或550 kHz，也可以在280 kHz到700 kHz之間調(diào)整。另外，它還具有限流電路、低壓閉鎖電路和過熱關(guān)斷電路。
TPS54312也同樣是TI推出的一款低電壓輸入，大電流輸出的同步降壓DC／DC調(diào)整器。所不同的是，TPS54312對于連續(xù)3 A的電流高效輸出，集成的MOS-FET開關(guān)管為60MQ，同時其固定電壓輸出為1．2V。
另外，TPS54616和TPS54312均采用集成化設計，減少了元件數(shù)量和體積，因此，可廣泛用于低電壓輸入、大電流輸出的分散電源系統(tǒng)中。
TPS54616和TPS54312功能管腳定義類似，其引腳封裝分別如圖1所示。
以TPS54616為例，簡述各引腳功能，TPS54312對應命名相同的引腳功能相似。
AGND：模擬地；BOOT：啟動輸入，應和PH腳間連接一個0．02～O．1μF的電容；NC：不連；PGND：電源地，使用時與AGND單點連接；PH：電壓輸出端；PWRGD：當VSENSE>90％參考電壓時，輸出為高阻，否則輸出為低電平，利用這點，可用于I／O口電壓和內(nèi)核電壓的控制，設計出符合要求的上電次序；RT：頻率設置電阻輸入，選擇不同的阻值連接，可設置不同的電源開關(guān)頻率；SS／ENA：慢啟動或輸入輸出使能控制；FSEL：頻率選擇；VBIAS：內(nèi)部偏壓調(diào)節(jié)，與AGND間應連接一個0．1～1μF的陶瓷電容；VIN：外部電壓輸入；VSENSE：誤差放大反饋輸入，可直接連到輸出電壓端。
3 電路設計
在Protel中搭建原理圖，如圖2所示。
設計主要考慮了輸入濾波、反饋回路、頻率操作、輸出濾波、延時啟動等問題。
3．1 輸入輸出濾波
兩電源芯片輸入電壓均為5 V，為有效慮除輸入電源中的高頻分量，輸入端均接一個10μF的旁路電容。同時，為減少輸入紋波電壓，各接入一個100μF和180μF的濾波電容。經(jīng)過這樣的組合濾波，可以得到一較為干凈的輸入電源。
在輸出端，為了得到質(zhì)量較好的輸出波形，輸出濾波網(wǎng)絡由一個4．7μH電感及一個470μF和1 000 pF的電容組成。
3．2 反饋回路
TPS54312上為直接反饋，經(jīng)過濾波輸出后的電壓直接連接到VSENSE上，TPS54616加上一個反饋電阻，作用其實是相同的，都是直接反饋。
3．3 開關(guān)頻率設計
如果讓RT腳空接，F(xiàn)SEL接地或接在VIN上，則開關(guān)頻率為350 kHz或550 kHz。如果采用外接電阻進行開關(guān)頻率選擇，有計算阻值的公式為：R=500 kHz／選擇的開關(guān)頻率×100 kΩ。設計中選用開關(guān)頻率700 MHz，計算得應接電阻阻值為71．5 kΩ。
3．4 延時啟動
兩芯片均有慢啟動和輸出輸入使能控制功能。通過在腳SS／EN上連接不同容值的電容，可以獲得不同的慢啟動時間。盡管有專門的計算公式可以進行計算，但這里設計可以利用TI為專門電源設計推出的軟件swift desig-ner，可以為設計提供很大的方便。swift designer提供一系列的電源芯片支持設計，包括對TPS54312和TPS54616的支持。
在swift designer中設置參數(shù)，然后按“GO”，軟件即能自動按照要求的參數(shù)選擇電源芯片和搭建好外圍電路。設參數(shù)為：輸出電壓1．2V，輸出電流3A，輸入最小電壓4．8V，最大5．2V，慢啟動時間3 ms，開關(guān)頻率700 kHz。軟件可以自動生成電路圖，軟件自動選擇的電源芯片是TPS54312，同時外圍電路已經(jīng)連接好。
同樣修改參數(shù)，輸出電壓3．3V，輸出電流6A，輸入最小電壓4．8V，最大5．2V，慢啟動時間6 ms，開關(guān)頻率700 kHz。同樣，這時軟件自動生成5V轉(zhuǎn)3．3V的電路圖(略)。
在swift designer軟件的幫助下，使設計變得靈活和簡便。要獲得正確的上電次序，設計中還應做一些調(diào)整。將TPS5431 2的PWRGD腳接至TPS54616的SS／ENA腳，如圖2中原理圖所示，同時接成上拉狀態(tài)。這樣，只有當TPS54312輸出電壓大于1．2 V*90％時，腳PWRGD輸出為低，從而使能TPS54616，產(chǎn)生3．3 V的電壓輸出，從而獲得正確的上電次序要求。在TPS54312輸出電壓沒有達到要求時，TPS54616被上拉，不能產(chǎn)生3．3 V輸出。這樣通過慢啟動時間的設置和對使能端引腳的控制兩重保險．可以完全確保正確的上電延時和上電次序。同時，我們可以根據(jù)不同芯片對上電延時和上電的次序進行靈活調(diào)整，滿足上電要求。
4 仿真分析
swift designer軟件還提供了初步的仿真分析，能直觀地給出分析表，循環(huán)響應圖，輸入電壓抖動的影響圖，效率圖和PCB布線圖。下面是一系列相關(guān)仿真分析。
從仿真可以看出，設計所采用的電源轉(zhuǎn)換具有較高的轉(zhuǎn)換效率，同時由于輸入抖動而帶來的影響也在系統(tǒng)可接受范圍之內(nèi)，加上外圍電容濾波后，輸出電壓紋波效果還會有所改進。由于軟件沒有對上電次序的先后給出直觀仿真，但通過對兩電源芯片慢啟動時間的設置先后和使能端的控制，系統(tǒng)上電次序得到了較好保證。
5 結(jié) 語
供電模塊設計對整個系統(tǒng)實現(xiàn)和系統(tǒng)良好運行意義重大，尤其對一些特殊供電要求的高性能器件而言更是如此。在電源模塊的設計中，要綜合考慮系統(tǒng)要求，設計靈活性，實現(xiàn)難易程度，成本、效率、封裝等相應因素，從而做出全面的、折衷的考慮，以尋求最佳的設計方案。經(jīng)過在雷達信號處理板上的實際應用，設計滿足各項電壓、電流和功耗要求，同時由于采用較好的上電次序設計，保證了ADSPTSl01的內(nèi)核先于IO上電，從而使整個系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性得到了較好保證。