l 引 言
隨著近年來芯片制造技術的不斷發(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節(jié)自身的內阻，從而保證輸出端的電壓在要求的范圍之內,。由于采用線性調節(jié)原理,，瞬態(tài)特性好，本質上沒有輸出紋波,。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穩(wěn)壓器,，效率非常高,。相對于普通開關穩(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,，內核電壓1．5 V，ADSPTS101的IO供電壓3．3V,，內核電壓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,，但基于開關電源和電源模塊的比較優(yōu)勢,，本系統(tǒng)采用開關電源進行設計。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調整器,，內含30MQ,、12 A峰值電流的MOSFET開關管，最大可輸出6A電流,。輸出電壓固定3．3V,，誤差率為1％。開關頻率可固定在350 kHz或550 kHz,，也可以在280 kHz到700 kHz之間調整,。另外，它還具有限流電路,、低壓閉鎖電路和過熱關斷電路,。
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頻率,；SS／ENA：慢啟動或輸入輸出使能控制,；FSEL：頻率選擇；VBIAS：內部偏壓調節(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,，為了得到質量較好的輸出波形，輸出濾波網絡由一個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 開關頻率設計
如果讓RT腳空接,，F(xiàn)SEL接地或接在VIN上,，則開關頻率為350 kHz或550 kHz。如果采用外接電阻進行開關頻率選擇,，有計算阻值的公式為：R=500 kHz／選擇的開關頻率×100 kΩ,。設計中選用開關頻率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，開關頻率700 kHz,。同樣,，這時軟件自動生成5V轉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,。下面是一系列相關仿真分析,。
從仿真可以看出，設計所采用的電源轉換具有較高的轉換效率,，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,，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 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。