摘要：為了滿足信號處理中常用的DSP+FPGA系統(tǒng)設(shè)計要求，本文采用TPS54610設(shè)計了一個高效、穩(wěn)定的電源電路，并根據(jù)電源加載的次序要求，設(shè)計成多電源順序啟動電路。

　　關(guān)鍵詞：TPS54610；DSP；FPGA；電源管理

引言

　　在信號處理系統(tǒng)中，由于計算速度和的要求，常采用高速DSP器件和大規(guī)模FPGA進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。在這類系統(tǒng)中，對電源模塊的和供電電流要求很高，電源模塊的設(shè)計將直接影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，設(shè)計出高效、穩(wěn)定的電源模塊尤為重要。本文針對系統(tǒng)設(shè)計要求，采用同步降壓DC/DC調(diào)整器TPS54610進(jìn)行系統(tǒng)電源設(shè)計，并根據(jù)電源加載的次序要求，設(shè)計成多電源順序啟動電路，實際使用中該電源電路具有很好的使用效果。

DSP+FPGA系統(tǒng)電源要求

　　系統(tǒng)處理器采用TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320C6416T和Xilinx公司的Virtex4系列XC4VFX60 FPGA，內(nèi)核電壓和外圍I/O電壓分別為1.2V和3.3V；另外，系統(tǒng)數(shù)據(jù)緩存采用IDT公司的IDT70T3539M雙口RAM，供電電壓為2.5V，F(xiàn)PGA配置芯片XCF32P需要供電電壓為1.8V，因此，系統(tǒng)中需要4種電源。同時，通過資料查閱和仿真估計，F(xiàn)PGA的電流為3A左右，DSP為1A，需要的電流比較大?？紤]到DSP和FPGA在加電的過程中，要保證內(nèi)核先供電，外圍I/O后供電，否則可能導(dǎo)致輸出端出現(xiàn)大電流，影響器件壽命甚至損壞器件。綜合這三個方面的因素，本設(shè)計選用TPS54610系列產(chǎn)品來產(chǎn)生這4種電壓。

TPS54610簡介

　　TPS54610是專門為DSP、FPGA等多芯片、大電流系統(tǒng)供電而設(shè)計的一款低電壓輸入、大電流輸出的同步降壓DC/DC調(diào)整器，它內(nèi)部含有30MW、峰值電流為12A的MOSFET開關(guān)管，輸出電流6A，輸出電壓0.9V~3.3V可調(diào)，率達(dá)到1%，脈寬調(diào)制頻率可調(diào)整；在功能上，具有限流、低壓閉鎖和過熱關(guān)斷電路，而且利用SS/ENA和PWRGD引腳可以設(shè)計啟動時間和順序啟動電路，這些特點(diǎn)恰好滿足了上述系統(tǒng)設(shè)計的需要。此外，它加強(qiáng)散熱型的PWP封裝為芯片提供了更好的散熱。本系統(tǒng)采用4片TPS54610供電。

電路設(shè)計

內(nèi)核電壓的產(chǎn)生

　　TPS54610電路的設(shè)計應(yīng)從開關(guān)頻率、輸入/輸出濾波、反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和設(shè)置軟啟動時間這4個方面來考慮。采用TI公司的SWIFT Designer 輔助設(shè)計軟件，可以方便地得到這些參數(shù)，減少了設(shè)計的難度。本系統(tǒng)內(nèi)核電壓為1.2V，電路如圖1所示。

　　此電路開關(guān)頻率設(shè)置為700kHz，故應(yīng)在RT和AGND引腳之間串聯(lián)一個阻值為71.5kW的電阻，并保持SYNC引腳開路，其中，R和開關(guān)頻率的換算公式為：R=(500kHz/開關(guān)頻率)×100kW。輸入電源的濾波和其它電源電路一樣，主要是以減小紋波電壓和旁路高頻分量為目的，采用一個較大的電容(220mF)和較小的電容(10mF)配合使用，制板時電容的擺放應(yīng)盡量靠近芯片；輸出濾波由電感和電容共同完成，電感可在1mH~10mH之間取值，本設(shè)計采用4.7mH貼片電感。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計非常關(guān)鍵，圖1中主要依靠RFP18和RFP17兩個電阻組成分壓網(wǎng)絡(luò)，使輸出電壓為1.2V，其余電阻、電容構(gòu)成環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，元器件的選擇方法很多，主要從輸出電壓值、帶寬、紋波電壓等方面考慮。設(shè)計時可以充分利用SWIFT Designer 輔助設(shè)計軟件，它可以修改上述所有要求，以達(dá)到設(shè)計所需。設(shè)計時應(yīng)注意：要確保電阻、電容使用標(biāo)稱值，同時，為了保證輸出電壓的準(zhǔn)確性，建議使用精密電阻。軟啟動時間的設(shè)置通過SS/ENA引腳和一個低值電容接地獲得，SS/ENA可以同時完成使能、輸出延遲和電壓上升延遲功能。其中，延遲時間和電容值成正比，近似為：
   
　　其中，td為輸出延遲時間；Css為SS/ENA引腳所接電容；tss為輸出電壓上升延遲時間。本設(shè)計采用Css=0.01mF，td和tss分別為2.4ms和1.4ms。

其它電壓的產(chǎn)生及

順序供電電路的設(shè)計

　　其它電壓和內(nèi)核電壓的設(shè)計大體相同，主要就是輸出電壓值的不同，這點(diǎn)可以根據(jù)輔助設(shè)計軟件設(shè)置分壓網(wǎng)絡(luò)中不同的電阻值得到。電路如圖2、圖3、圖4所示。

　　圖1、圖2、圖3、圖4就構(gòu)成了整個系統(tǒng)的電源設(shè)計，通過PWRGD和SS/ENA兩個引腳的級聯(lián)使用，就可以完成順序啟動電路的設(shè)計。PWRGD引腳在當(dāng)VSENSE端的電壓高于輸出電壓的90%時輸出為高，否則為低。SS/ENA引腳除了上述軟啟動功能之外，還具有輸出使能的功能，提供控制器允許工作邏輯信號，當(dāng)SS/ENA為高電平時，與外接電容配合可設(shè)置啟動時間；為低電平時，芯片關(guān)閉，輸出為0。當(dāng)JFP6、8、10三根跳線連接時，就能達(dá)到順序啟動的效果。具體過程如下：

　　外加5V電壓后，根據(jù)SS/ENA外接電容計算，經(jīng)2.4ms后，1.2V供電的TPS54610芯片開始啟動，再經(jīng)過1.4ms后，輸出電壓為1.2V，此時，PWRGD引腳由低電平變成高電平。由于該引腳和1.8V供電的TPS54610芯片的SS/ENA引腳相連，所以，在1.2V電壓輸出正常之前，供電1.8V的芯片輸出一直為0，1.2V電壓輸出正常之后，供電1.8V芯片的SS/ENA引腳變成高電平。此后2.4ms，芯片開始啟動。再經(jīng)過1.4ms，輸出電壓為1.8V。此時，1.8V供電的TPS54610芯片的PWRGD引腳變成高電平，該引腳與2.5V供電芯片的SS/ENA引腳相連，只有等到1.8V正常輸出之后，2.5V供電芯片才開始工作。同樣，只有2.5V正常輸出之后，3.3V的供電芯片才開始工作。這樣，就形成了一個順序啟動的過程，也就保證了DSP和FPGA內(nèi)核先供電、外圍I/O后供電的需要。

電源指示燈和其它設(shè)計

　　根據(jù)上述順序啟動電路的特點(diǎn)，只有在所有電壓都正常輸出之后，3.3V供電的TPS54610芯片的PWRGD引腳才輸出高電平，利用這個特點(diǎn)，設(shè)計如下的電源指示電路，如圖5所示。電路正常輸出之前，PG3V3為低電平，LED發(fā)光二極管達(dá)不到大于0.7V的偏壓，不能發(fā)光；當(dāng)電路正常輸出，PG3V3為高電平時，LED發(fā)光二極管發(fā)光。這樣就能更方便、直觀地進(jìn)行電路調(diào)試和系統(tǒng)電源工作狀態(tài)的判別。

　　此外，設(shè)計時在電源電路的輸入和輸出都設(shè)置跳線。輸入跳線更有利于分開調(diào)試，當(dāng)電路出現(xiàn)問題時方便查錯。需要分級調(diào)試時，將這的輸入接上，其它輸入斷開；需要電路整體工作時，將跳線都接上而不影響電路工作。輸出跳線保證電源電路調(diào)試無誤之后再加載到后級器件上去，以免由于電源問題損壞電路。

PCB設(shè)計注意點(diǎn)

　　PCB設(shè)計時，除了需要注意PCB電磁兼容特性之外，還要考慮到TPS54610的特殊封裝結(jié)構(gòu)。為了解決TPS54610的散熱問題，在其底部有一塊PowerPAD區(qū)。制作PCB時應(yīng)將芯片底部的PCB板表層放置在裸露的敷銅區(qū)，并且應(yīng)該在該區(qū)域設(shè)置過孔，增加散熱性能。該區(qū)域還應(yīng)該與AGND相接，以增加電源的穩(wěn)定性。敷銅區(qū)的放置方式如圖6所示。

結(jié)語

　　本文根據(jù)DSP+FPGA系統(tǒng)的要求，設(shè)計了基于TPS54610、具有4種電壓輸出的電源電路，并且構(gòu)成多電源順序啟動電路。實際使用表明，該電路工作穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)供電要求。該電路應(yīng)用廣泛，具體應(yīng)用時，可以根據(jù)需要減少電壓輸出的種類，構(gòu)成需要的電源設(shè)計；也可以修改分壓網(wǎng)絡(luò)的電阻值，得到所需的電壓輸出?！?/P>

  

參考文獻(xiàn):

[1]. TPS54610 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/TPS54610_1116259.html.
[2]. IDT70T3539M datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/IDT70T3539M_832467.html.
[3]. XCF32P datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/XCF32P_1696113.html.
[4]. 12A datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/12A_1743128.html.
[5]. 1mH datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/1mH_2178259.html.
[6]. PCB datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/PCB_1201640.html.