l 引 言

隨著近年來芯片制造技術的不斷發展，以及市場對高性能數字信號處理器的需求，新的功能更強，速度更快，功耗更低的數字信號處理器(DSP)產品不斷推出，給電路設計帶來了極大的方便。但與此同時，這些高性能器件的使用對供電模塊的設計提出了更高的要求。高效、穩定、滿足上電次序的供電模塊設計具有重要意義，將直接影響整個系統的穩定，甚至整個系統的實現。

當前，DSP、FPGA等芯片的供電方式主要有3種：采用線性電源芯片，采用開關電源芯片，采用電源模塊。這3種方式的一個總體對比如表1所示。

線性電源的基本原理是根據負載電阻的變化情況來調節自身的內阻，從而保證輸出端的電壓在要求的范圍之內。由于采用線性調節原理，瞬態特性好，本質上沒有輸出紋波。但隨著輸入輸出電壓差的增大或是輸出電流增加，芯片發熱會成比例增加，因此線性電源要求有較好的散熱處理控制。線性電源的輸入電流接近于輸出電流，它的效率(輸出功率／輸入功率)接近于輸出／輸入電壓比。因此，壓差是一個非常重要的性能，因為更低的壓差意味著更高的效率。LDO線性電源的低壓差特性有利于改善電路的總體效率。線性電源對電流輸入較小的應用系統提供了一種體積小、廉價的設計方案。

開關電源利用磁場儲能，無論升壓、降壓或是兩者同時進行，都可以實現相當高的變換效率。由于變換效率高，因此發熱很小，散熱處理得以簡化。又由于是開關穩壓器電源，與LDO線性電源相比，DC／DC調整器輸出紋波電壓較大、瞬時恢復時間較慢、容易產生電磁干擾(EMI)。要取得低紋波、低EMI、低噪聲的電源，關鍵在于電路設計，尤其是輸入／輸出電容、輸出電感的選擇和布局。因此在三種電源設計方案中，開關電源的設計要較另兩種電源設計方案復雜。但由于開關電源設計靈活，耗熱小，成本也較低，在系統電源模塊設計中，仍不失一種較好的選擇。

電源模塊原理上講是個開關穩壓器，效率非常高。相對于普通開關穩壓器，它的集成度更高，外圍只需要一個輸入電容和一個輸出電容即能工作，設計簡便，適合D要求開發周期非常短的應用。

2 芯片選型和功能介紹

由于ADSPTSl01信號處理部分僅是整個系統的一個子部分，結合其他部分的供電要求，FPGA芯片采用ATERA公司的EPlCl2F324，IO電壓3．3 V，內核電壓1．5 V，ADSPTS101的IO供電壓3．3V，內核電壓1．2V。其中EPlCl2F324對上電次序的要求并不是太嚴格，電源設計較為簡單，采用AS2830一1．5電源芯片即可達到要求。而ADSPTSl01對上電次序有較為嚴格的要求，當上電次序沒有達到要求時，既使上電后進行復位初始化后，初始狀態仍然可能不對。因此，系統電源部分設計的重點在于滿足ADSPTS101的上電要求。當然，采用電源模塊，如PT*4芯片可以滿足設計要求，但基于開關電源和電源模塊的比較優勢，本系統采用進行設計。采用的電源芯片為TI公司的TPS54616和TPS54312。

TPS54616是一款TI公司推出的適合DSP，FPGA，ASIC等多芯片系統供電的電源芯片，是一款低電壓輸入、大電流輸出的同步降壓DC／DC調整器，內含30MQ、12 A峰值電流的MOSFET開關管，最大可輸出6A電流。輸出電壓固定3．3V，誤差率為1％。開關頻率可固定在350 kHz或550 kHz，也可以在280 kHz到700 kHz之間調整。另外，它還具有限流電路、低壓閉鎖電路和過熱關斷電路。

TPS54312也同樣是TI推出的一款低電壓輸入，大電流輸出的同步降壓DC／DC調整器。所不同的是，TPS54312對于連續3 A的電流高效輸出，集成的MOS-FET開關管為60MQ，同時其固定電壓輸出為1．2V。

另外，TPS54616和TPS54312均采用集成化設計，減少了元件數量和體積，因此，可廣泛用于低電壓輸入、大電流輸出的分散電源系統中。

TPS54616和TPS54312功能管腳定義類似，其引腳封裝分別如圖1所示。

以TPS54616為例，簡述各引腳功能，TPS54312對應命名相同的引腳功能相似。AGND：模擬地；BOOT：啟動輸入，應和PH腳間連接一個0．02～O．1μF的電容；NC：不連；PGND：電源地，使用時與AGND單點連接；PH：電壓輸出端；WRGD：當VSENSE>90％參考電壓時，輸出為高阻，否則輸出為低電平，利用這點，可用于I／O口電壓和內核電壓的控制，設計出符合要求的上電次序；RT：頻率設置電阻輸入，選擇不同的阻值連接，可設置不同的電源開關頻率；SS／ENA：慢啟動或輸入輸出使能控制；FSEL：頻率選擇；VBIAS：內部偏壓調節，與AGND間應連接一個0．1～1μF的陶瓷電容；VIN：外部電壓輸入；SENSE：誤差放大反饋輸入，可直接連到輸出電壓端。

3 電路設計

在Protel中搭建原理圖，如圖2所示。

設計主要考慮了輸入濾波、反饋回路、頻率操作、輸出濾波、延時啟動等問題。

3．1 輸入輸出濾波

兩電源芯片輸入電壓均為5 V，為有效慮除輸入電源中的高頻分量，輸入端均接一個10μF的旁路電容。同時，為減少輸入紋波電壓，各接入一個100μF和180μF的濾波電容。經過這樣的組合濾波，可以得到一較為干凈的輸入電源。在輸出端，為了得到質量較好的輸出波形，輸出濾波網絡由一個4．7μH電感及一個470μF和1 000 pF的電容組成。

3．2 反饋回路

TPS54312上為直接反饋，經過濾波輸出后的電壓直接連接到VSENSE上，TPS54616加上一個反饋電阻，作用其實是相同的，都是直接反饋。

3．3 開關頻率設計

如果讓RT腳空接，FSEL接地或接在VIN上，則開關頻率為350 kHz或550 kHz。如果采用外接電阻進行開關頻率選擇，有計算阻值的公式為：R=500 kHz／選擇的開關頻率×100 kΩ。設計中選用開關頻率700 MHz，計算得應接電阻阻值為71．5 kΩ。

3．4 延時啟動

兩芯片均有慢啟動和輸出輸入使能控制功能。通過在腳SS／EN上連接不同容值的電容，可以獲得不同的慢啟動時間。盡管有專門的計算公式可以進行計算，但這里設計可以利用TI為專門電源設計推出的軟件swift desig-ner，可以為設計提供很大的方便。swift designer提供一系列的電源芯片支持設計，包括對TPS54312和TPS54616的支持。

在swift designer中設置參數，然后按“GO”，軟件即能自動按照要求的參數選擇電源芯片和搭建好外圍電路。設參數為：輸出電壓1．2V，輸出電流3A，輸入最小電壓4．8V，最大5．2V，慢啟動時間3 ms，開關頻率700 kHz。軟件可以自動生成電路圖，軟件自動選擇的電源芯片是TPS54312，同時外圍電路已經連接好。

同樣修改參數，輸出電壓3．3V，輸出電流6A，輸入最小電壓4．8V，最大5．2V，慢啟動時間6 ms，開關頻率700 kHz。同樣，這時軟件自動生成5V轉3．3V的電路圖(略)。

在swift designer軟件的幫助下，使設計變得靈活和簡便。要獲得正確的上電次序，設計中還應做一些調整。將TPS5431 2的PWRGD腳接至TPS54616的SS／ENA腳，如圖2中原理圖所示，同時接成上拉狀態。這樣，只有當TPS54312輸出電壓大于1．2 V*90％時，腳PWRGD輸出為低，從而使能TPS54616，產生3．3 V的電壓輸出，從而獲得正確的上電次序要求。在TPS54312輸出電壓沒有達到要求時，TPS54616被上拉，不能產生3．3 V輸出。這樣通過慢啟動時間的設置和對使能端引腳的控制兩重保險．可以完全確保正確的上電延時和上電次序。同時，我們可以根據不同芯片對上電延時和上電的次序進行靈活調整，滿足上電要求。

4 仿真分析

swift designer軟件還提供了初步的仿真分析，能直觀地給出分析表，循環響應圖，輸入電壓抖動的影響圖，效率圖和PCB布線圖。下面是一系列相關仿真分析。

從仿真可以看出，設計所采用的電源轉換具有較高的轉換效率，同時由于輸入抖動而帶來的影響也在系統可接受范圍之內，加上外圍電容濾波后，輸出電壓紋波效果還會有所改進。由于軟件沒有對上電次序的先后給出直觀仿真，但通過對兩電源芯片慢啟動時間的設置先后和使能端的控制，系統上電次序得到了較好保證。

5 結 語

供電模塊設計對整個系統實現和系統良好運行意義重大，尤其對一些特殊供電要求的高性能器件而言更是如此。在電源模塊的設計中，要綜合考慮系統要求，設計靈活性，實現難易程度，成本、效率、封裝等相應因素，從而做出全面的、折衷的考慮，以尋求最佳的設計方案。經過在雷達信號處理板上的實際應用，設計滿足各項電壓、電流和功耗要求，同時由于采用較好的上電次序設計，保證了ADSPTSl01的內核先于IO上電，從而使整個系統穩定性和可靠性得到了較好保證。