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DSP FPGA 供电设计
0750long | 2009-07-13 11:32:34    阅读:1757   发布文章

 

l  电源基础

  随着近年来芯片制造技术的不断发展,以及市场对高性能数字信号处理器的需求,新的功能更强,速度更快,功耗更低的数字信号处理器(DSP)产品不断推出,给电路设计带来了极大的方便。但与此同时,这些高性能器件的使用对供电模块的设计提出了更高的要求。高效、稳定、满足上电次序的供电模块设计具有重要意义,将直接影响整个系统的稳定,甚至整个系统的实现。

  当前,DSP、FPGA等芯片的供电方式主要有3种:采用线性电源芯片,采用开关电源芯片,采用电源模块。这3种方式的一个总体对比如表1所示。

供电方式对比表

  线性电源的基本原理是根据负载电阻的变化情况来调节自身的内阻,从而保证输出端的电压在要求的范围之内。由于采用线性调节原理,瞬态特性好,本质上没有输出纹波。但随着输入输出电压差的增大或是输出电流增加,芯片发热会成比例增加,因此线性电源要求有较好的散热处理控制。线性电源的输入电流接近于输出电流,它的效率(输出功率/输入功率)接近于输出/输入电压比。因此,压差是一个非常重要的性能,因为更低的压差意味着更高的效率。LDO线性电源的低压差特性有利于改善电路的总体效率。线性电源对电流输入较小的应用系统提供了一种体积小、廉价的设计方案。

  电源模块原理上讲是个开关稳压器,效率非常高。相对于普通开关稳压器,它的集成度更高,外围只需要一个输入电容和一个输出电容即能工作,设计简便,适合D要求开发周期非常短的应用。

1.1  LDO和DC-DC器件的区别 

贴子发表于:2007/3/29 11:52:17

 

DCDC的意思是直流变(到)直流(不同直流电源值的转换),只要符合这个定义都可以叫DCDC转换器,包括LDO。但是一般的说法是把直流变(到)直流由开关方式实现的器件叫DCDC。 

    LDO是低压降的意思,这有一段说明:低压降(LDO)线性稳压器的成本低,噪音低,静态电流小,这些是它的突出优点。它需要的外接元件也很少,通常只需要一两个旁路电容。新的LDO线性稳压器可达到以下指标:输出噪声30μV,PSRR为60dB,静态电流6μA,电压降只有100mV。LDO线性稳压器的性能之所以能够达到这个水平,主要原因在于其中的调整管是用P沟道MOSFET,而普通的线性稳压器是使用PNP晶体管。P沟道MOSFET是电压驱动的,不需要电流,所以大大降低了器件本身消耗的电流;另一方面,采用PNP晶体管的电路中,为了防止PNP晶体管进入饱和状态而降低输出能力, 输入和输出之间的电压降不可以太低;而P沟道MOSFET上的电压降大致等于输出电流与导通电阻的乘积。由於MOSFET的导通电阻很小,因而它上面的电压降非常低。
   如果输入电压和输出电压很接近,最好是选用LDO稳压器,可达到很高的效率。所以,在把锂离子电池电压转换为3V输出电压的应用中大多选用LDO稳压器。虽说电池的能量最後有百分之十是没有使用,LDO稳压器仍然能够保证电池的工作时间较长,同时噪音较低。

    如果输入电压和输出电压不是很接近,就要考虑用开关型的DCDC了,应为从上面的原理可以知道,LDO的输入电流基本上是等于输出电流的,如果压降太大,耗在LDO上能量太大,效率不高。

    DC-DC转换器包括升压、降压、升/降压和反相等电路。DC-DC转换器的优点是效率高、可以输出大电流、静态电流小。随著集成度的提高,许多新型DC-DC转换器仅需要几只外接电感器和滤波电容器。但是,这类电源控制器的输出脉动和开关噪音较大、成本相对较高。
  近几年来,随著半导体技术的发展,表面贴装的电感器、电容器、以及高集成度的电源控制芯片的成本不断降低,体积越来越小。由於出现了导通电阻很小的MOSFET可以输出很大功率,因而不需要外部的大功率FET。例如对于3V的输入电压,利用芯片上的NFET可以得到5V/2A的输出。其次,对于中小功率的应用,可以使用成本低小型封装。另外,如果开关频率提高到1MHz,还能够降低成本、可以使用尺寸较小的电感器和电容器。有些新器件还增加许多新功能,如软启动、限流、PFM或者PWM方式选择等。

    总的来说,升压是一定要选DCDC的,降压,是选择DCDC还是LDO,要在成本,效率,噪声和性能上比较。

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2  电路设计

设计主要考虑了输入滤波、反馈回路、频率操作、输出滤波、延时启动等问题。

2.1 输入输出滤波

  两电源芯片输入电压均为5 V,为有效虑除输入电源中的高频分量,输入端均接一个10μF的旁路电容。同时,为减少输入纹波电压,各接入一个100μF和180μF的滤波电容。经过这样的组合滤波,可以得到一较为干净的输入电源。

  在输出端,为了得到质量较好的输出波形,输出滤波网络由一个4.7μH电感及一个470μF和1 000 pF的电容组成。

 

2.2 反馈回路

  TPS54312上为直接反馈,经过滤波输出后的电压直接连接到VSENSE上,TPS54616加上一个反馈电阻,作用其实是相同的,都是直接反馈。

2.3 开关频率设计

  如果让RT脚空接,FSEL接地或接在VIN上,则开关频率为350 kHz或550 kHz。如果采用外接电阻进行开关频率选择,有计算阻值的公式为:R=500 kHz/选择的开关频率×100 kΩ。设计中选用开关频率700 MHz,计算得应接电阻阻值为71.5 kΩ。

2.4 延时启动

  两芯片均有慢启动和输出输入使能控制功能。通过在脚SS/EN上连接不同容值的电容,可以获得不同的慢启动时间。尽管有专门的计算公式可以进行计算,但这里设计可以利用TI为专门电源设计推出的软件swift desig-ner,可以为设计提供很大的方便。swift designer提供一系列的电源芯片支持设计,包括对TPS54312和TPS54616的支持。

  在swift designer中设置参数,然后按“GO”,软件即能自动按照要求的参数选择电源芯片和搭建好外围电路。设参数为:输出电压1.2V,输出电流3A,输入最小电压4.8V,最大5.2V,慢启动时间3 ms,开关频率700 kHz。软件可以自动生成电路图,软件自动选择的电源芯片是TPS54312,同时外围电路已经连接好。

  同样修改参数,输出电压3.3V,输出电流6A,输入最小电压4.8V,最大5.2V,慢启动时间6 ms,开关频率700 kHz。同样,这时软件自动生成5V转3.3V的电路图(略)。

  在swift designer软件的帮助下,使设计变得灵活和简便。要获得正确的上电次序,设计中还应做一些调整。将TPS5431 2的PWRGD脚接至TPS54616的SS/ENA脚,如图2中原理图所示,同时接成上拉状态。这样,只有当TPS54312输出电压大于1.2 V*90%时,脚PWRGD输出为低,从而使能TPS54616,产生3.3 V的电压输出,从而获得正确的上电次序要求。在TPS54312输出电压没有达到要求时,TPS54616被上拉,不能产生3.3 V输出。这样通过慢启动时间的设置和对使能端引脚的控制两重保险.可以完全确保正确的上电延时和上电次序。同时,我们可以根据不同芯片对上电延时和上电的次序进行灵活调整,满足上电要求。

3 仿真分析

  swift designer软件还提供了初步的仿真分析,能直观地给出分析表,循环响应图,输入电压抖动的影响图,效率图和PCB布线图。下面是一系列相关仿真分析。

点击看大图

  从仿真可以看出,设计所采用的电源转换具有较高的转换效率,同时由于输入抖动而带来的影响也在系统可接受范围之内,加上外围电容滤波后,输出电压纹波效果还会有所改进。由于软件没有对上电次序的先后给出直观仿真,但通过对两电源芯片慢启动时间的设置先后和使能端的控制,系统上电次序得到了较好保证。

4 结 语

  供电模块设计对整个系统实现和系统良好运行意义重大,尤其对一些特殊供电要求的高性能器件而言更是如此。在电源模块的设计中,要综合考虑系统要求,设计灵活性,实现难易程度,成本、效率、封装等相应因素,从而做出全面的、折衷的考虑,以寻求最佳的设计方案。经过在雷达信号处理板上的实际应用,设计满足各项电压、电流和功耗要求,同时由于采用较好的上电次序设计,从而使整个系统稳定性和可靠性得到了较好保证。

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