自從美國TI公司推出通用可編程DSP" title="DSP">DSP芯片以來，DSP技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。DSP電源" title="電源">電源設(shè)計是DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的一個重要組成部分,，低功耗" title="低功耗">低功耗是DSP電源系統(tǒng)設(shè)計的發(fā)展方向,。由于DSP一般在系統(tǒng)中要承擔(dān)大量的實時數(shù)據(jù)計算,，在CPU內(nèi)部，頻繁的部件轉(zhuǎn)換會使系統(tǒng)功耗大大增加,，降低DSP內(nèi)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(yīng)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(guān)重要的,。
TI公司最新推出的TPS6229X系列開關(guān)電源芯片有兩種工作模式：PWM模式和節(jié)能模式。在額定負(fù)載電流下,，芯片處于PWM模式,，高效穩(wěn)定的為DSP供電，當(dāng)負(fù)載電流降低時,，芯片自動轉(zhuǎn)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(shè)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(gòu)成無源濾波網(wǎng)絡(luò)。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(jié)構(gòu)簡單，能滿足一般的應(yīng)用要求,，方法(2)有更好的去耦效果,，但電路復(fù)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(nèi)核電壓先上電,，I／O電壓后上電,。因為如果只有CPU內(nèi)核獲得供電，周邊I／O沒有供電,，對芯片不會產(chǎn)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(nèi)核沒有加電,，那么DSP緩沖驅(qū)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(nèi)核電壓后上電,，如TMS320F2812。
在設(shè)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" title="TPS62290">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(zhuǎn)換器,，應(yīng)用于手機(jī),、掌上電腦、便攜式媒體播放器以及低功耗DSP電源設(shè)計中,，其主要有以下特點：
- 輸出電流高達(dá)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l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(diào)整器有兩種工作模式：PWM模式和節(jié)能模式,。當(dāng)負(fù)載電流增大時,，工作于PWM模式，當(dāng)負(fù)載電流減小時,，自動轉(zhuǎn)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(yīng)電壓控制器將輸入電壓供給負(fù)載,，在每個周期的開始觸發(fā)高壓MOSFET開關(guān)管,，電流從輸入電容經(jīng)過高壓MOSFET開關(guān)和電感流向輸出電容和負(fù)載。這一階段,，電流逐漸上升,，當(dāng)上升到PWM的極限電流時觸發(fā)比較器，關(guān)閉高壓MOSFET開關(guān)管,。當(dāng)高壓MOSFET開關(guān)管的電流過大時也會觸發(fā)電流極限比較器將其關(guān)閉。經(jīng)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(fù)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(guān)閉低壓MOSFET整流器并且打開高壓MOSFET開關(guān)管，如此循環(huán)往復(fù),。
當(dāng)MODE引腳置為低電平時,，TPS62290工作于節(jié)能模式。當(dāng)負(fù)載電流減小時,，也會自動轉(zhuǎn)入節(jié)能模式,。當(dāng)工作于節(jié)能模式時，其工作頻率會降低,，負(fù)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(guān)管,，使電感電流上升。當(dāng)定時結(jié)束時,，高壓MOSFET開關(guān)管關(guān)閉,，低壓MOSFET開關(guān)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(fù)載,。如果負(fù)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(jìn)入睡眠模式，此時電流約為15μA,，整個電源系統(tǒng)的功耗達(dá)到最低,。
2．3 可調(diào)輸出電壓原理
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(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)整,。其連接方法如圖2所示,。
可調(diào)輸出電壓可由下式計算得到：
其中Uref=0．6V(內(nèi)部基準(zhǔn)電壓)，為了減小反饋網(wǎng)絡(luò)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(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)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(yuǎn)離噪聲源，以減少干擾,。
2．4 輸出濾波器" title="濾波器">濾波器設(shè)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(yīng)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)下式確定電感的大小：
其中f-開關(guān)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(guān)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(zhì)選用X7R或X5R。在高頻情況下，若采用Y5V和Z5U電介質(zhì)的電容,，其電容值隨溫度的變化而變化,，不宜采用,。
在額定負(fù)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(diào)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(shè)計
DSP雙電源解決方案如圖3所示。關(guān)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(nèi)核,。
4)U2的使能端接1．8V電壓，當(dāng)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(jìn)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(jié)論
DSP復(fù)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(shè)計的開關(guān)電源芯片，并設(shè)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,。