電源在所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)備中可以說是最簡(jiǎn)單的器件,但卻必須放在整機(jī)設(shè)計(jì)的最后考慮。為了保證整機(jī)的可靠運(yùn)轉(zhuǎn),,對(duì)供電系統(tǒng)的要求越來越高。
在高速電路板中,,例如視頻處理卡,,由于電路的高頻特性,開關(guān)的電磁輻射和線路噪音都會(huì)干擾到達(dá)電路器件電壓,,即器件的實(shí)際工作電壓,。而現(xiàn)今的低電壓、低功耗,、高性能的芯片,,如DSP芯片等對(duì)工作電壓的要求非常高,一般都要求電壓偏差不超過5%,,若芯片的供電電壓為3.3V,,即電壓偏差不能超過0.165V,。否則,一旦工作電壓超出這個(gè)范圍,,長(zhǎng)時(shí)間工作容易縮短壽命甚至于燒毀,。因此,在電路中需要通過電壓監(jiān)控電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控,,以期電源能夠?yàn)樾酒峁┖细穸€(wěn)定的電壓,。
TI公司TPS330X系列電源監(jiān)控芯片
TI已連續(xù)四年成為全球模擬半導(dǎo)體市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者,在電源管理產(chǎn)品及接口方面保持著領(lǐng)先的地位,。TI(德州儀器公司)在很早以前就發(fā)明了供應(yīng)電壓監(jiān)控器(Supply-Voltage Supervisor,,SVSs),并新近開發(fā)出TPS330x系列產(chǎn)品,,這些產(chǎn)品結(jié)合了芯片內(nèi)集成,、省電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和新的低電壓選項(xiàng),主要用于多種電壓電路中系統(tǒng)芯片的供電電壓監(jiān)控,,為用戶提供高品質(zhì)的電壓,。
作為TPS33X-XX系列的代表,TPS3307-33D具有以下優(yōu)良特性:
(1) 主要用于多電壓處理器體系,,可以為DSP等芯片提供三通道監(jiān)控電路;
(2) 200ms固定延時(shí)的上電復(fù)位發(fā)生器,,無需外部擴(kuò)展電容;
(3) 電壓溫度補(bǔ)償;
(4) 可提供2~6V的大范圍電壓;
(5) 可穩(wěn)定工作在-40°C to 85°C。
TPS3307-33D可監(jiān)視兩種獨(dú)立電壓,,并且還可以控制另外一種電壓,,這種電壓可以獨(dú)立調(diào)整并內(nèi)在與復(fù)位邏輯電路相連。其芯片管腳如圖1所示,。
圖1 TPS3307管腳圖
其中,,SENSE 1,SENSE 2,,SENSE3分別用于監(jiān)控第一,、第二、第三種電壓;/MR即Manual Reset,,可連接一個(gè)外部復(fù)位觸發(fā)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)電路人工復(fù)位;/RESER輸出低電平有效復(fù)位信號(hào);RESET輸出高電平有效復(fù)位信號(hào),。其內(nèi)部電路模塊圖表示如下圖2所示。
圖2 TPS3307芯片內(nèi)部模塊圖
從圖中可以看出,,電壓監(jiān)控有內(nèi)置晶振,,核心部分非常穩(wěn)定,并且具有溫度補(bǔ)償參考電壓體系,。第一,、第二監(jiān)控電壓被內(nèi)部電阻反壓后與比較器的參考電壓進(jìn)行比較。SENSE 3管腳的輸入電壓直接與1.25V參考電壓進(jìn)行比較?;赥PS3307的一種典型的電壓監(jiān)控應(yīng)用可以用圖3的模塊圖表示,。該電路可以同時(shí)監(jiān)控2.5V、3.3V和5V三種電壓,。
如果SENSE 3的輸入電壓為2.5V,,經(jīng)內(nèi)置分壓電阻分壓后,通過計(jì)算門檻電壓VIT-可以得知,,SENSE 3可以很好的監(jiān)控2.5V電壓,。具體計(jì)算過程為:
這個(gè)值非常適合用于2.5V電源供電。
圖3 TPS3307應(yīng)用方案
該方案中的μC代表TMS320C6211,、MSP430C325等微處理器,。
TPS3307-33D在DSP圖像處理系統(tǒng)中的應(yīng)用
本系統(tǒng)是采用TI TMS320C6211芯片處理通過攝像頭拍攝并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的圖像。DSP對(duì)圖像進(jìn)行壓縮后,,由DSP的HPI口通過TI的PCI2040芯片上傳到上位機(jī)主板上,,與上位機(jī)的PCI總線進(jìn)行通信,。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵是視頻處理卡的設(shè)計(jì),,由于市場(chǎng)上能夠買到的視頻卡一般功能都有限,不能滿足本項(xiàng)目的需求,,故自行設(shè)計(jì)一塊視頻卡,。
在視頻卡設(shè)計(jì)中,電源模塊設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵,,它直接影響著視頻卡的最后實(shí)現(xiàn)和穩(wěn)定運(yùn)行,。電源設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分:供電系統(tǒng)和電源檢測(cè)及上電復(fù)位系統(tǒng)。對(duì)供電系統(tǒng)來說,,為滿足系統(tǒng)需要,,必須能夠提供四種電源電壓,分別為-+5V,、-5V,、+3.3V和+1.8V。+5V電源由外部提供,,而其它供電電壓需要自行設(shè)計(jì),。在選擇5V-3.3V DC-DC電壓泵時(shí),考慮電流大小為:TMS320C6211的130mA,、SAA7111A的150mA,、EPM7128S的300mA、AM29LV800B的30mA,、IDT72V215的2×60mA,、MT48LC4M16A2的2×230mA,電流共需在1.2A左右,加上其它的一些電壓轉(zhuǎn)換芯片和接口芯片,,考慮1.5A的供電電流,。即供電電流必須大于1.5A。在選擇5V-1.8V DC-DC電壓泵為DSP供電時(shí),,供電電流要大于830mA,。
該系統(tǒng)中的電源檢測(cè)及上電復(fù)位電路,是為保證系統(tǒng)在供電未達(dá)工作電壓前,,各器件不會(huì)處于不受控制的狀態(tài)而設(shè)計(jì)的,。該電路可
以保證這些器件在系統(tǒng)加電的過程中,始終處于復(fù)位狀態(tài),,直到各供電電壓達(dá)到正常工作電壓,。另外當(dāng)電平下降到門限值以下的時(shí)候,會(huì)強(qiáng)制芯片進(jìn)入復(fù)位狀態(tài),。
本監(jiān)控系統(tǒng)采用一片TI的TPS3307-33D作為電源檢測(cè)IC,。該器件定義在其供電VDD>1.1V時(shí)其/Reset即可輸出有效的信號(hào)。如圖4所示,,在本系統(tǒng)中,,該電路可以完成對(duì)5V、3.3V和1.8V三種供電電壓的監(jiān)測(cè),,并可以對(duì)系統(tǒng)的三種器件(C6211,、EPLD和AT89C2051)同時(shí)進(jìn)行上電復(fù)位和手工復(fù)位。
圖4 TPS3307電源監(jiān)控電路
其中+3.3V是TMS320C6211的I/O接口所需的電壓,,這是DSP外圍接口電壓,,必須能夠保持穩(wěn)定、持續(xù)供電,。其外接的SDRAM和FLASH ROM都是3.3V器件,,若電壓不穩(wěn),這些器件無法穩(wěn)定工作,,容易導(dǎo)致?lián)p耗甚至燒毀這些器件,。
+1.8V供電是為了滿足TMS320C6211的CPU核心工作電壓需要。對(duì)于TMS320C6211來說,,其工作頻率為150MHz,,對(duì)電壓的變化非常敏感。電壓過高會(huì)使器件損傷,,電壓過低芯片會(huì)自動(dòng)復(fù)位,。
應(yīng)用心得
通過用TPS3307芯片進(jìn)行電壓監(jiān)控設(shè)計(jì),不僅了解了部分TI模擬器件,,而且還從中發(fā)覺高速電路板設(shè)計(jì)中電源設(shè)計(jì)及監(jiān)控的重要性,。這些重要性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)問題里面,。
(1)電源熱處理
熱處理對(duì)任何系統(tǒng)都是一大難題。電源系統(tǒng)在工作過程中會(huì)產(chǎn)生很大的熱量,。當(dāng)系統(tǒng)未提供空氣對(duì)流或環(huán)境溫度較高時(shí),,散熱器是必需的。風(fēng)扇提供的氣流能簡(jiǎn)化電源的設(shè)計(jì),,但增加了噪音,,降低了可靠性。
本系統(tǒng)中由于主板上置有散熱風(fēng)扇,,而且電源的功率不太大,,故不單獨(dú)采用散熱器。
(2)EMI處理
電磁干擾是開關(guān)電源和電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的主要設(shè)計(jì)問題,。必須考慮各種噪聲:傳導(dǎo),、輻射、共模和差模噪聲,。共模噪聲是系統(tǒng)噪聲最重要的來源,,在DC-DC變換器中,共模噪聲是初級(jí)與次級(jí)間流通的電流引起的,,它是主開關(guān)器件和輸入-輸出耦合電容上電壓瞬變過程的函數(shù),。
由于開關(guān)電源中通常包含有高頻信號(hào),PCB上任何印制線都可以起到天線的作用,,印制線的長(zhǎng)度和寬度會(huì)影響其阻抗和感抗,,從而會(huì)影響到頻率響應(yīng),。即使是通過直流信號(hào)的印制線也會(huì)從鄰近的印制線耦合到射頻信號(hào)并造成電路問題,,甚至再次輻射出干擾信號(hào)。
因此應(yīng)將所有通過交流的印制線設(shè)計(jì)得盡可能的短而寬,,這意味著必須將所有連接到印制線和其他電源線的元件放置得很近,。印制線的長(zhǎng)度與其表現(xiàn)出的電感量和阻抗成正比,而寬度則與印制線的電感量和阻抗成反比,。長(zhǎng)度反映出印制線響應(yīng)的波長(zhǎng),,長(zhǎng)度越長(zhǎng),印制線能發(fā)送和接受的電磁波頻率越低,,它就能輻射出更多的射頻能量,。
(3)電壓的穩(wěn)定性
高品質(zhì)的穩(wěn)定的工作電壓(或電流)是高速芯片(如DSP芯片)長(zhǎng)期有效工作的基本保證。一般電源系統(tǒng)僅僅是在電源芯片上大做文章,,采用高效率電源芯片,,在要求不高的場(chǎng)合沒有引入電源監(jiān)控系統(tǒng)。而在以高速芯片為核心的高速電路板上,,影響供電電壓的因素繁多,,既有器件上的原因,也有設(shè)計(jì)方案上的弊病;這些因素極大的改變了到達(dá)芯片的真實(shí)電壓,無法使芯片工作在額定的電壓,,在條件惡劣的情況下甚至難以保證電壓的穩(wěn)定供電,。因此,在高速芯片電路板設(shè)計(jì)中,,要求引入電壓監(jiān)控體系,,通過實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓變化并進(jìn)行調(diào)整來實(shí)現(xiàn)對(duì)高速芯片的高品質(zhì)電壓供電。在這方面,,TI公司的TPS33xx系列芯片以其獨(dú)特的設(shè)計(jì)品質(zhì)在同行中得到廣泛認(rèn)同,。TPS3305、TPS3306能夠同時(shí)監(jiān)控2路電壓,,并具有溫度補(bǔ)償調(diào)整功能,,而TPS3307性能更高,不但同時(shí)可監(jiān)控2路電壓,,還能自適應(yīng)的調(diào)整第三路被監(jiān)控電壓,,芯片工作性能穩(wěn)定,而且3通道技術(shù)使其使用效率非常高,。
(4)高功率和故障容錯(cuò)度的并聯(lián)技術(shù)
電源結(jié)構(gòu)常常用多個(gè)電源或多個(gè)電源變換器來增加輸出功率,,或提供故障容錯(cuò)度。相同的獨(dú)立電源并聯(lián)工作是獲得高功率電源的既可靠又經(jīng)濟(jì)有效的方法,。
(5)安全性
模塊化設(shè)計(jì)能夠獲得很好安全特性,。電源系統(tǒng)輸入與輸出間電氣隔離是最基本的安全性要求。隔離型DC-DC變換器具有內(nèi)部變壓器來提供必要的保護(hù),,從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì),。而非隔離型變換器需要一個(gè)外部變壓器。對(duì)給定的母線電壓,,電壓越高,,功率損耗就越低,且導(dǎo)體尺寸也越小,。