嵌入式運(yùn)行速度高,系統(tǒng)較復(fù)雜,,常常集成超大規(guī)模FPGA器件,、DSP器件、DDR存儲(chǔ)器以及各種接口電路,。這對(duì)電源的輸出電壓值,、功耗、電壓精度,、上電順序以及電源完整性提出更高的要求,。
這里介紹一種基于CPCI的嵌入式單板計(jì)算機(jī)電源的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于航空設(shè)備和軍用車(chē)載設(shè)備,。
2,、系統(tǒng)電源需求分析與器件造型
圖1為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)由CPU和與其相連的DDR儲(chǔ)存器,、PCI接口,、時(shí)鐘、電源,、EBC總線以及外部接口電路組成,。CPU采用AMCC公司的PowerPC 440EPx。
2.1 系統(tǒng)電源需求
該系統(tǒng)電源較復(fù)雜,,有多達(dá)8種不同的電源電壓值,,其中5 V和3.3 V由CPCI機(jī)箱提供,。5 V供給DC/DC器件降壓以產(chǎn)生其他電源電壓,同時(shí)給1553總線的變壓器供電,。3.3 V是系統(tǒng)主電源,,包括USB PHY、時(shí)鐘器件,、FPGA和CPU以及PCI橋器件(PLX6466)的I/O部分等,。其他電源電壓都是由5V或3.3 V經(jīng)電源器件降壓得到。
表1,、2分別為CPU和PCI橋器件的功耗需求,,CPU器件對(duì)上電順序沒(méi)有要求。其中VDD 1.5 V是PPC440EPx的內(nèi)核電壓,,SOVDD是CPU的DDR2接口電源,;1.8 V為PCI橋的內(nèi)核電壓,VDDIO是PCI橋的接口電源,。
該系統(tǒng)采用DDR2作為內(nèi)存,,使用4片Micron公司的MT47H64M16,容量為512 MB,。每片DDR2器件的內(nèi)核,、接口和DLL的電源電壓都是1.8 V,最大電流為440 mA,。另外需特別注意DDR2的VREF以及地址和控制信號(hào)的端口接電壓VTT,,其電壓值都是0.9 V。其中,,VREF對(duì)容差的要求非常嚴(yán)格(小于2%),,不過(guò)其對(duì)電流的要求較小。而對(duì)VTT不僅有嚴(yán)格的容差要求,,而且還要求其能在瞬間輸出或吸收很大的電流,。同時(shí),VREF岍要隨著VDD的變化而變化,,VTT也要跟蹤VREF的變化,。通常的LDO難以完成這樣的工作,必須采用專(zhuān)用的DDR端接電源器件,。
該系統(tǒng)使用Spartan3型FPGA器件XC3S200實(shí)現(xiàn)1553收發(fā)器以及一些接口電路的設(shè)計(jì),。該器件使用3個(gè)電壓內(nèi)核電壓VCCINT(1.2 V),輔助電壓VCCAUX(2.5 V)以及接口電壓VCCO(3.3 V),。FPGA內(nèi)部有上電復(fù)位電路,,只有當(dāng)這3個(gè)電源信號(hào)都達(dá)到各自門(mén)限電壓,才釋放該復(fù)位信號(hào),。因此,,對(duì)這3個(gè)電源信號(hào)的上電順序沒(méi)有要求,。不過(guò),,如果 VCCINT先于VCCAUX上電,,則會(huì)在上電時(shí)額外增加幾百毫安的瞬時(shí)電流。估計(jì)FPGA器件功耗可采用基于電子數(shù)據(jù)表的工具XPower Estimator(XPE)或在ISE下直接調(diào)用XPower,。系統(tǒng)利用XPower軟件估計(jì)出該設(shè)計(jì)功耗需求:VCCINT為50 mA,,VCCAUX為10 mA。系統(tǒng)使用兩片88E1111作為千兆以太網(wǎng)的PHY器件,,該器件以2.5 V為砌電壓(410 mA),,1.0 V為內(nèi)核電壓(250 mA)。除上述集成電路外,,系統(tǒng)還有諸如串行接口,、USB接口、時(shí)鐘等電路,,但功耗都較低,。從分析可知:1.5 V和1.8 V需要使用大功率的電源器件,DDR2的電源需要專(zhuān)用的電源器件,,其他電壓的功率要求較小,。
2.2 電源器件選型
電源器件主要分為線性穩(wěn)壓器和DC/DC轉(zhuǎn)換器兩大類(lèi)型。LDO屬于線性穩(wěn)壓器主要應(yīng)用于輸人和輸出壓差較小的場(chǎng)合,,其特點(diǎn)是:成本低,、噪音低、靜態(tài)電流小,、需外接元件少,,但其轉(zhuǎn)換效率不是很高,且輸出電流一般不是很大,。DC/DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率高,、輸出大電流、靜態(tài)電流小,。但由于采用PWM控制,,其開(kāi)關(guān)噪音較大,成本也相對(duì)較高,。且外接電路較復(fù)雜,,一般都需外接開(kāi)關(guān)管、電感及電容,。許多新型 DC/DC將開(kāi)關(guān)管集成到器件內(nèi)部.因此只需外接電感和濾波電容,。
根據(jù)電源器件的特點(diǎn),以及對(duì)系統(tǒng)電源需求的分析,,這兩種類(lèi)型的電源器件在該系統(tǒng)都得到使用,。但為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),、便于批量生產(chǎn)和物料管理,該系統(tǒng)只使用3個(gè)不同型號(hào)的電源器件,,分別是:LT3501,、LDO器件TPS51100和TPS74801。其中,,功耗需求較大的1.5 V和1.8 V電源電路采用LT3501實(shí)現(xiàn),;DDR2的端接電源和參考電源由器件TPS51100提供;系統(tǒng)的其他電源由TPS74801提供,。
3,、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
由于LDO電路簡(jiǎn)單及篇幅原因,這里重點(diǎn)討論LT3501的電路設(shè)計(jì),,圖2為L(zhǎng)T3501的電路原理圖,。
3.1 參數(shù)配置
3.1.1 輸出電壓
輸出電壓值的選擇較簡(jiǎn)單,由連接在VOUT和VFR間的2只電阻分壓得到,。其公式為:
圖2中,,分壓電阻為2只精度為1%的電阻R680和R682(分別對(duì)應(yīng)R1,R2),,代入式(1),,計(jì)算其輸出電壓VOUT=1.495 V。
3.1.2 開(kāi)關(guān)頻率
LT3501的開(kāi)關(guān)頻率由連接在RT/SYNC引腳上的電阻決定,,如圖3所示,。當(dāng)電阻從15.4 kΩ增加到133 kΩ時(shí),其開(kāi)關(guān)頻率從1.5 MHz減小到250 kHz,。為減小外連的電感和電容的尺寸,,便于PCB設(shè)計(jì),開(kāi)關(guān)頻率選擇較高的f=1.2 MHz,。則根據(jù)圖3所示曲線,,其電阻值為20.6 kΩ。
3.1.3 電感值
對(duì)于開(kāi)關(guān)電源,,電感的取值非常重要,。根據(jù)LT3501的數(shù)據(jù)手冊(cè)公式:
式中,DC指占空比,,其最小值DCMIN=tON(MIN)×f=0.24,。VD是捕捉二極管的正向壓降,其值約為0.4 V,。
假如最大輸出電流需3 A,,由式(2)可計(jì)算電感L至少為1.2μH。
為提高效率,,減小輸出紋波,,要求電感:額定電流的有效值應(yīng)大于最大負(fù)載電流,;同時(shí)其飽和電流值應(yīng)大于30%;直流電阻值應(yīng)小于0.05 Ω,,其電感值應(yīng)大于理論值,。據(jù)此,系統(tǒng)選擇PB03316-1R5MT,,該電感的電感值為1.5μH,,直流電阻為0.010Ω,,額定電流有效值為8.0 A,,飽和電流為6.4 A。選定電感值后,,就可將其代入式(2)計(jì)算紋波電流△IL為0.8 A,。
3.1.4 輸入電容和輸出電容
由于開(kāi)關(guān)電源的輸入是以脈沖形式為輸出提供電流,并且其上升和下降時(shí)間非???。
因此。需用輸入電容濾出電壓紋波,,以減小EMI,。并可使用4.7μF或更大的X7R或X5R型電容旁路輸入信號(hào),也可使用鉭電容和較小容量的陶瓷電容并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn),。陶瓷電容應(yīng)盡可能靠近器件的輸入引腳,。
輸出電容濾波流過(guò)電感的電流,以得到紋波很小的輸出電壓,。同時(shí),,其儲(chǔ)能功能還可滿足瞬間負(fù)載,并穩(wěn)定LT3501的控制環(huán)路,。LT3501的控制環(huán)路采用電流模式,,對(duì)輸出電容的RESR(串連等效電阻)沒(méi)有要求。
因此,,可以采用陶瓷電容來(lái)作輸出電容,。輸出電容的值可以根據(jù)式(3)估算。其中MLS(Max Load Step)為最大電流負(fù)載的跳變,,例如:該系統(tǒng)MLS為3A,。
輸出電壓的紋波可按式(4)和(5)估算:式(4)計(jì)算陶瓷電容,式(5)計(jì)算鉭電容或鋁電解電容,。系統(tǒng)采用溫度特性較好的X7R型陶瓷電容與鉭電容并聯(lián),。利用式(4)計(jì)算出紋波電壓約0.56 mV,滿足CPU和其他電路對(duì)電源紋波的要求,。
3.2 PCB布局
對(duì)于開(kāi)關(guān)電源,,PCB的布局非常重要,。當(dāng)開(kāi)關(guān)電源工作時(shí),電路的部分支路存在很大的階躍電流,。該電流主要在器件內(nèi)部的開(kāi)關(guān)管,、外面的環(huán)流二極管和輸入電容之間流動(dòng)。由這些元件構(gòu)成的環(huán)路應(yīng)盡可能的小,。在布局時(shí),,這些器件以及電感和輸出電容應(yīng)該布局在電路板的同一層,其連線也盡可能在同一層完成,。在這些元件的下面,,有一塊連續(xù)的局部地。該局部地與系統(tǒng)地的連接采用單點(diǎn)連接方法,,連接點(diǎn)最好選在輸出電容的接地端,。另外,SW和BST信號(hào)的布線要盡可能的短,。 LT3501器件的底部有裸露的leadframe,,該結(jié)構(gòu)散熱良好。在設(shè)計(jì)PCB時(shí),??稍谄骷撞康膶?duì)應(yīng)位置放一塊覆銅,并通過(guò)多個(gè)過(guò)孔與內(nèi)層的大面積覆銅連接,。
4,、結(jié)論
分析該系統(tǒng)的功耗,在考慮一定冗余的基礎(chǔ)上,,利用3種電源器件設(shè)計(jì)該嵌入式系統(tǒng)的電源電路,。并使用MAX705電源監(jiān)控器件提高系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)已成功在多個(gè)實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證,,并且表現(xiàn)良好,。