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由于高精度測量系統工作頻率高，數據處理量大，功耗也相對較高，而供電系統的好壞直接影響到系統的穩定性和系統的精度，所以設計高效率、高可靠性的供電系統具有極其重要的現實意義。本文主要敘述了一個實際高精度測量系統的電源設計。 1 DSP和FPGA的電源要求 系統采用Altera公司的Cyclone系列EPIC12型號FPGA和TI公司的TMS320C6713B型號DSP均需要兩種電源[1～2]：外圍I/O電壓為3.3V及內核電壓分別為1.5V和1.2V。因此必須考慮它們的配合問題：(1)在加電過程中，要保證內核先得到供電，外圍I/O后得到供電，內核最晚也應該與周邊I/O接口電源同時加電。否則可能會導致DSP和FPGA的輸出端出現大電流，這將大大影響器件的使用壽命，甚至損壞器件。(2)在關閉電源時，內核最晚也應當與周邊I/O接口電源同時掉電，而且應該先關閉I/O接口電源，再關內核電源。本文主要利用TI公司的TPS5431×系列產品來產生1.2V、1.5V和3.3V電壓。 系統各個電源轉換芯片統一由蓄電池供電。電源模塊在用蓄電池加電時，其電壓上升過程中與達到穩定狀態前可能出現較嚴重的波動。而DSP和FPGA在上電過程中如果電壓波動較大，加載可能失敗并導致后續加載操作異常。為了保證加載成功，不會產生不受控制的狀態，所以在系統中加入了電壓監控和復位電路，以確保DSP和FPGA芯片在系統加電過程中始終處于復位狀態，直到電壓達到所要求的電平。同時，一旦電源的電壓降到閾值以下，強制芯片進入復位狀態，確保系統穩定地工作。因為系統用6V蓄電池供電，所以電壓不會超過6V，只需進行欠壓監控。 2 電源系統設計 系統中存在模擬電路和數字電路供電。本文重點介紹數字電路電源部分。 本設計采用TPS5431×系列電壓轉換芯片設計數字電源系統，分別產生DSP和PFGA的內核和外圍電壓以及+5V電壓。TPS5431×系列是低電壓輸入、大電流輸出的同步PWM Buck降壓式電壓轉換器，其電路外圍器件少，60mΩ的MOSFET開關管保證了在持續3A的輸出電流時超過92%高效率；輸出電壓有0.9V、1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、3.3V可選，初始誤差為1%；PWM頻率范圍從280～700kHz；通過峰值電流限制和熱關斷實現過載保護；加強散熱型的PWP封裝為芯片提供了更好的散熱；綜合解決了電路板面積和成本。 2.1內核電壓的產生 本部分主要是為TMS320C6713B和EPIC12設計內核供電系統，其內核電壓分別為1.2V和1.5V，分別用TPS54312和TPS54313來產生,具體電路如圖1、圖2所示。為了滿足供電順序的要求，圖1、圖2中的PWRGD接到圖3中的SS/ENA腳。 參數的選取：芯片的開關頻率設為700kHz，為此，需要保持FSEL腳開路并在RT腳和AGND腳之間串聯71.5kΩ的電阻；輸出濾波電感的取值范圍在4.7"10μH之間，本文選用4.7μH的貼片電感；SS/ENA腳通過一個低容值電容接地，其功能為使能、輸出延遲和電壓上升延遲。其中延遲時間和電容值成正比，近似為： 式中: td為輸出延遲時間(秒)；C(SS)為SS/ENA腳所接電容(F)；t(SS)為輸出電壓上升延遲時間(秒)。 本設計內核電壓電路中，C(SS)=0.039μF，根據式(1)、式(2)可得td、t(SS)分別為9.36ms和5.46ms。 2.2 外圍電壓的產生及供電順序的實現 利用TPS54316來產生3.3V的輸出電壓。外圍器件參數的選取除SS/ENA腳處的電容外，其余與內核電壓電路相同。外圍I/O電壓電路如圖3所示。 為了實現內核和周邊I/O接口的電源供電順序，本文采取調整SS/ENA腳處的電容值和利用TPS5431×中的PWRGD和SS/ENA信號來控制的方法。一方面，在外圍電壓電路中選取C(SS)=0.1μF，根據式(1)、式(2)得td、t(SS)分別為24ms和14ms。在加電時，內核比外圍早加電約23ms。另一方面，即使電容被擊穿，在加電起始，由于TPS54312和TPS54313輸出為未達到閾值(正常值的95%)，PWRGD(信號)輸出低電平，TPS54316處于關閉狀態，直至內核電壓穩定。這樣就保證了內核先加電；在關閉電源時，由于TPS54312和TPS54313輸出低于閾值，PWRGD信號輸出低電平，關斷TPS54316，保證了外圍I/O先掉電，實驗測得外圍I/O早掉電10ms左右。由此可見，從兩方面都滿足了供電順序的要求。上電過程及掉電過程實驗波形分別如圖4、圖5所示。 2.3 電壓監控和復位電路 電壓監控和復位電路采用TI公司的TPS3307-18D來實現。TPS3307-18D是一種微處理器電源監控芯片，其特點是可同時輸出高電平有效和低電平有效的復位信號，可同時監控三個獨立的電壓：3.3V/1.8V/可調電壓(其對應的門限值分別為2.93V/1.68V/1.25V)。由于系統中的DSP、FPGA和Flash存儲器的復位信號都是低電平有效，所以用TPS3307-18D的信號來實現復位，用信號完成復位指示功能，對系統中的3.3V、1.5V和1.2V(放大到3.6V)三個電壓進行監控。電壓監控和復位電路如圖6所示。 只要其自身的供電電壓在2V以上，并且被監控的三個電壓中有一個低于其門限值時，就可以保證輸出有效的RESET信號；當三個電壓的值都高于門限值前，復位信號則一直有效。另外，芯片還有一個手動復位信號，通過復位按扭可以方便地進行手動復位。 實驗測試結果表明，該電源系統能可靠地為本測量系統提供穩定的電源，并具有動態響應快(25ms)、功率大(最高可達18W)、轉換效率高(達到93%)、輸出電壓波紋小(0.05V)及電壓調整率好(0.1%)的特點。然而電源波動和上電順序所造成的電路上電失敗故障，只是涉及電源可靠性的一個方面，因此本文所舉的實際應用例子可能并不適合于各種情況，其目的在于提醒設計人員在有關電源設計中可能存在的隱患，以供參考。 電源芯片 |
