基于高性能数字信号处理器的供电模块设计

1、    基于高性能数字信号处理器的供电模块设计    基于高性能数字信号处理器的供电模块设计    类别：电子综合      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

2、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)

3、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，DCDC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

4、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33 V，内核电压15 V，ADSPTS101的IO供电压33V，内核电压12V。其中EPlCl2F324对上电次序的要求并不是太严格，电源设

5、计较为简单，采用AS2830一15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PT4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DCDC调整器，内含30MQ、12 A峰值电

6、流的MOSFET开关管，最大可输出6A电流。输出电压固定33V，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DCDC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12V。 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TPS

7、54312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002O1F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IO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；SSENA：慢启动或输入输出使能控制；FSE

8、L：频率选择；VBIAS：内部偏压调节，与AGND间应连接一个011F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。 31 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10F的旁路电容。同时，为减少输入纹波电压，各接入一个100F和180F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，

9、输出滤波网络由一个47H电感及一个470F和1 000 pF的电容组成。 32 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。 33 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 k。设计中选用开关频率700 MHz，计算得应接电阻阻值为715 k。 34 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SSEN上连接

10、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12V，输出电流3A，输入最小电压48V，最大52V，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

11、连接好。 同样修改参数，输出电压33V，输出电流6A，输入最小电压48V，最大52V，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33V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SSENA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12 V90时，脚PWRGD输出为低，从而使能TPS54616，产生33 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，T

12、PS54616被上拉，不能产生33 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