自從美國TI公司推出通用可編程DSP芯片以來,，DSP技術得到了突飛猛進的發(fā)展,。DSP電源設計是DSP應用系統(tǒng)設計的一個重要組成部分,，低功耗是DSP電源系統(tǒng)設計的發(fā)展方向,。由于DSP一般在系統(tǒng)中要承擔大量的實時數(shù)據(jù)計算，在CPU內部,，頻繁的部件轉換會使系統(tǒng)功耗大大增加,，降低DSP內部CPU供電的核電壓是降低系統(tǒng)功耗的有效方法，因此TI公司的DSP大多采用低電壓供電方式,。
從一定程度上說,，選擇什么樣的DSP就決定系統(tǒng)處于什么樣的功耗層次。在實際應用中,，電源系統(tǒng)直接決定了DSP能否在高性能低功耗的情況下工作,，因此,，一個穩(wěn)定而可靠的電源系統(tǒng)是至關重要的。
TI公司最新推出的TPS6229X系列開關電源芯片有兩種工作模式：PWM模式和節(jié)能模式,。在額定負載電流下,，芯片處于PWM模式，高效穩(wěn)定的為DSP供電,，當負載電流降低時,，芯片自動轉入節(jié)能模式，以減小系統(tǒng)功耗,，適宜于DSP系統(tǒng)的低功耗設計,，本文主要介紹了該芯片的特點，并給出了基于此芯片的DSP電源電路,。
l DSP電源特點
1．1 電源要求
TI公司的DSP需要給CPU,、FLASH、ADC及I／O等提供雙電源供電,，分別為1．8V或2．5V核電源和3．3V的I／O電源,，每種電源又分為數(shù)字電源和模擬電源,，即數(shù)字1．8V(2．5V),、模擬1．8V(2．5V)，數(shù)字3．3V,，模擬3．3V,。相對與模擬電源和數(shù)字電源，也要求有模擬地和數(shù)字地,。數(shù)字電源與模擬電源單獨供電,，數(shù)字地與模擬地分開，單點連接,。
DSP大多采用數(shù)字電源供電,，可以通過數(shù)字電源來獲得模擬電源，主要有兩種方式： (1)數(shù)字電源與模擬電源,、數(shù)字地與模擬地之間加電感或鐵氧體磁珠構成無源濾波網絡,。鐵氧體磁珠在低頻時阻抗很低，在高頻時很高,，可以抑制高頻干擾,，從而消除數(shù)字電路的噪聲。 (2)采用多路穩(wěn)壓器,。方法(1)結構簡單,，能滿足一般的應用要求，方法(2)有更好的去耦效果,，但電路復雜成本高,。
1．2 供電次序
TI公司DSP采用雙電源供電,，因此，需要考慮上電,、掉電順序,。大部分DSP芯片要求內核電壓先上電，I／O電壓后上電,。因為如果只有CPU內核獲得供電,，周邊I／O沒有供電，對芯片不會產生損害,，只是沒有輸入輸出能力而已,；如果周邊I／O獲得供電而CPU內核沒有加電，那么DSP緩沖驅動部分的三極管處于未知狀態(tài)下工作,，這是很危險的,。但是也有要求I／O電壓先上電，內核電壓后上電,，如TMS320F2812,。
在設計不同DSP芯片的電源系統(tǒng)時，要根據(jù)其不同的電源特點,，否則可能造成整個電源系統(tǒng)的損壞,。
2 TPS62290芯片介紹
2．1 芯片特點
TPS62290是TI公司最新推出的高效率同步降壓DC／DC轉換器，應用于手機,、掌上電腦,、便攜式媒體播放器以及低功耗DSP電源設計中，其主要有以下特點：
- 輸出電流高達1000mA
- 輸入電壓范圍為2．3～6V
- 固定工作頻率為2．25MHz
- 輸出電壓誤差范圍為一1．5％～1．5％
- 輕載下采用節(jié)能模式
- 靜態(tài)電流約15μA
- 最大占空比為100％
- 芯片采用2×2×0．8mm SON封裝
圖1是TPS62290封裝圖,，各引腳功能如表l所示,。
2．2 工作原理
TPS62290降壓調整器有兩種工作模式：PWM模式和節(jié)能模式。當負載電流增大時,，工作于PWM模式,，當負載電流減小時，自動轉入節(jié)能模式以減小系統(tǒng)功耗,。
在PWM模式下,，TPS62290使用獨特的快速響應電壓控制器將輸入電壓供給負載，在每個周期的開始觸發(fā)高壓MOSFET開關管,，電流從輸入電容經過高壓MOSFET開關和電感流向輸出電容和負載,。這一階段，電流逐漸上升,，當上升到PWM的極限電流時觸發(fā)比較器,，關閉高壓MOSFET開關管。當高壓MOSFET開關管的電流過大時也會觸發(fā)電流極限比較器將其關閉,。經過一段死區(qū)時間,，低壓MOSFET整流器工作,，電感電流逐漸降低，電流從電感流向輸出電容和負載,，通過低壓MOSFET整流器再流回電感中,。在下個周期開始時，時鐘信號又關閉低壓MOSFET整流器并且打開高壓MOSFET開關管,，如此循環(huán)往復,。
當MODE引腳置為低電平時，TPS62290工作于節(jié)能模式,。當負載電流減小時,，也會自動轉入節(jié)能模式。當工作于節(jié)能模式時,，其工作頻率會降低,，負載電流接近靜態(tài)電流，輸出電壓會比正常工作的輸出電壓高大約1％,。此時,，輸出電壓會受到PFM比較器的監(jiān)視，一旦輸出電壓降低,，器件發(fā)出一個PFM電流脈沖,，觸發(fā)高壓MOSFET開關管，使電感電流上升,。當定時結束時,，高壓MOSFET開關管關閉，低壓MOSFET開關管工作,，直到電感電流為零。
TPS62290有效地將電流傳遞給輸出電容和負載,。如果負載電流降低,，則輸出電壓會上升，如果輸出電壓等于或是高于PFM比較器的極限電壓,，芯片將停止工作進入睡眠模式,，此時電流約為15ΜA，整個電源系統(tǒng)的功耗達到最低,。
2．3 可調輸出電壓原理PH,UsA
TPS62290的電壓輸出范圍為0．6V～UIN(UIN為輸入電壓),，通過外接一個電阻取樣網絡實現(xiàn)輸出電壓的調整。其連接方法如圖2所示,。
可調輸出電壓可由下式計算得到：
其中UREF=0．6V(內部基準電壓),，為了減小反饋網絡的電流，R2的值為L80KΩ或是360KΩ,，R1與R2的和不能超過LMΩ,，以抑制噪聲,。外部反饋電容C1必須具有良好的負載瞬態(tài)響應特性，其取值范圍為22～33PF,。電感L的取值為1．5～4．7ΜH,，輸出電容的取值范圍4．7～22ΜF。在PCB布線時,，連接FB引腳的線路要遠離噪聲源,，以減少干擾。
2．4 輸出濾波器設計
TPS62290外接電感的取值范圍為1．5～4．7ΜH,，輸出電容的取值范圍為4．7～22ΜF,，最優(yōu)工作狀態(tài)下，電感為2．2ΜH,，輸出電容取10ΜF,。不同的工作狀態(tài)，電感和電容的最佳取值不同,。為了工作穩(wěn)定,，電感取值不得低于1ΜH，輸出電容不得低于3．5ΜF,。
(1)電感的選擇
電感的取值直接影響到浪涌電流的大小,。電感的選擇主要依據(jù)是DC阻抗和飽和電流。電感的浪涌電流隨著感應系數(shù)的增加而減小,，隨著輸入和輸出電壓的增加而增加,。在PFM模式下，電感也會影響到輸出電壓的波動,。電感取值大,，輸出電壓波紋小，PFM頻率高,，電感取值小,，輸出電壓波紋大，PFM頻率低,。
可以根據(jù)下式確定電感的大?。?/p>
其中F-開關頻率(2．25MHZ)、L一電感值,、 AIL一波峰電流,、ILMAX一最大電感電流實際中常用的方法是：將TPS62290的最大開關電流作為電感電流額定值，帶入上式,，算出電感大小,。
(2)輸出電容的選擇
TPS6229X系列芯片的輸出電容推薦使用陶瓷電容，因為低ESR的陶瓷電容可以抑制輸出電壓波紋，電介質選用X7R或X5R,。在高頻情況下,，若采用Y5V和Z5U電介質的電容，其電容值隨溫度的變化而變化,，不宜采用,。
在額定負載電流下，TPS62290工作在PWM模式下,，RMS電流計算如下：
在輕載電流下,，調整器工作于節(jié)能模式，輸出電壓峰值取決于輸出電容和電感的大小,，大容量的電容和電感可以減小輸出電壓峰值,，以平滑輸出電壓。
3 電路設計
DSP雙電源解決方案如圖3所示,。關于此電路的幾點說明：
1)電壓輸入端接電容值為10ΜF的陶瓷電容(C1,、C2)，減小輸入電壓的波動,。
2)電壓輸出端接陶瓷電容(C5,、C6、C7,、C8),，其電容值的選取參見本文2．4節(jié)。
3)U1的使能端接+5V高電平,，上電輸出1．8V電壓,，供給DSP內核。
4)U2的使能端接1．8V電壓,，當UL輸出1．8V電壓時使能U2輸出3．3V電壓,，供給DSP的I／O，這樣就實現(xiàn)了核電壓先上電,，I／O電壓后上電,。
5)1．8V和3．3V數(shù)字電壓分別通過鐵氧體磁珠L3、L4進行濾波,，從而輸出1．8V和3．3V的模擬電壓。
6)電阻R1,、R2,、R3、R4,、C3,、C4的取值參加本文2．3節(jié)。
7)電感L1,、L2的取值參加本文2．4節(jié),。
8)MODE引腳接地,，芯片工作于節(jié)能模式，功耗降低,。
4 結論
DSP復雜的電源系統(tǒng)對供電要求越來越高,，如何在保證DSP高性能穩(wěn)定工作的條件下，降低DSP系統(tǒng)的功耗是一個需要解決的問題,。本文介紹了TI公司最新推出的適合DSP低功耗電源系統(tǒng)設計的開關電源芯片,，并設計了基于該芯片的雙電源方案，滿足DSP系統(tǒng)要求的上電順序,。