自從美國(guó)TI公司推出通用可編程DSP" title="DSP">DSP芯片以來(lái),,DSP技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,。DSP電源" title="電源">電源設(shè)計(jì)是DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分,低功耗" title="低功耗">低功耗是DSP電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向,。由于DSP一般在系統(tǒng)中要承擔(dān)大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算,,在CPU內(nèi)部,頻繁的部件轉(zhuǎn)換會(huì)使系統(tǒng)功耗大大增加,,降低DSP內(nèi)部CPU供電的核電壓是降低系統(tǒng)功耗的有效方法,,因此TI公司的DSP大多采用低電壓供電方式。
從一定程度上說(shuō),,選擇什么樣的DSP就決定系統(tǒng)處于什么樣的功耗層次,。在實(shí)際應(yīng)用中,電源系統(tǒng)直接決定了DSP能否在高性能低功耗的情況下工作,,因此,,一個(gè)穩(wěn)定而可靠的電源系統(tǒng)是至關(guān)重要的。
TI公司最新推出的TPS6229X系列開(kāi)關(guān)電源芯片有兩種工作模式:PWM模式和節(jié)能模式,。在額定負(fù)載電流下,芯片處于PWM模式,,高效穩(wěn)定的為DSP供電,,當(dāng)負(fù)載電流降低時(shí),芯片自動(dòng)轉(zhuǎn)入節(jié)能模式,,以減小系統(tǒng)功耗,,適宜于DSP系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì),本文主要介紹了該芯片的特點(diǎn),,并給出了基于此芯片的DSP電源電路,。
l DSP電源特點(diǎn)
1.1 電源要求
TI公司的DSP需要給CPU、FLASH,、ADC及I/O等提供雙電源供電,,分別為1.8V或2.5V核電源和3.3V的I/O電源,每種電源又分為數(shù)字電源和模擬電源,,即數(shù)字1.8V(2.5V),、模擬1.8V(2.5V),數(shù)字3.3V,,模擬3.3V,。相對(duì)與模擬電源和數(shù)字電源,,也要求有模擬地和數(shù)字地。數(shù)字電源與模擬電源單獨(dú)供電,,數(shù)字地與模擬地分開(kāi),,單點(diǎn)連接。
DSP大多采用數(shù)字電源供電,,可以通過(guò)數(shù)字電源來(lái)獲得模擬電源,,主要有兩種方式: (1)數(shù)字電源與模擬電源、數(shù)字地與模擬地之間加電感或鐵氧體磁珠構(gòu)成無(wú)源濾波網(wǎng)絡(luò),。鐵氧體磁珠在低頻時(shí)阻抗很低,,在高頻時(shí)很高,可以抑制高頻干擾,,從而消除數(shù)字電路的噪聲,。 (2)采用多路穩(wěn)壓器。方法(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,,能滿足一般的應(yīng)用要求,,方法(2)有更好的去耦效果,但電路復(fù)雜成本高,。
1.2 供電次序
TI公司DSP采用雙電源供電,,因此,需要考慮上電,、掉電順序,。大部分DSP芯片要求內(nèi)核電壓先上電,I/O電壓后上電,。因?yàn)槿绻挥蠧PU內(nèi)核獲得供電,,周邊I/O沒(méi)有供電,對(duì)芯片不會(huì)產(chǎn)生損害,,只是沒(méi)有輸入輸出能力而已,;如果周邊I/O獲得供電而CPU內(nèi)核沒(méi)有加電,那么DSP緩沖驅(qū)動(dòng)部分的三極管處于未知狀態(tài)下工作,,這是很危險(xiǎn)的,。但是也有要求I/O電壓先上電,內(nèi)核電壓后上電,,如TMS320F2812,。
在設(shè)計(jì)不同DSP芯片的電源系統(tǒng)時(shí),要根據(jù)其不同的電源特點(diǎn),,否則可能造成整個(gè)電源系統(tǒng)的損壞,。
2 TPS62290" title="TPS62290">TPS62290芯片介紹
2.1 芯片特點(diǎn)
TPS62290是TI公司最新推出的高效率同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器,應(yīng)用于手機(jī)、掌上電腦,、便攜式媒體播放器以及低功耗DSP電源設(shè)計(jì)中,,其主要有以下特點(diǎn):
- 輸出電流高達(dá)1000mA
- 輸入電壓范圍為2.3~6V
- 固定工作頻率為2.25MHz
- 輸出電壓誤差范圍為一1.5%~1.5%
- 輕載下采用節(jié)能模式
- 靜態(tài)電流約15μA
- 最大占空比為100%
- 芯片采用2×2×0.8mm SON封裝
圖l是TPS62290封裝圖,各引腳功能如表l所示,。
2.2 工作原理
TPS62290降壓調(diào)整器有兩種工作模式:PWM模式和節(jié)能模式,。當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí),工作于PWM模式,,當(dāng)負(fù)載電流減小時(shí),,自動(dòng)轉(zhuǎn)入節(jié)能模式以減小系統(tǒng)功耗。
在PWM模式下,,TPS62290使用獨(dú)特的快速響應(yīng)電壓控制器將輸入電壓供給負(fù)載,,在每個(gè)周期的開(kāi)始觸發(fā)高壓MOSFET開(kāi)關(guān)管,電流從輸入電容經(jīng)過(guò)高壓MOSFET開(kāi)關(guān)和電感流向輸出電容和負(fù)載,。這一階段,,電流逐漸上升,當(dāng)上升到PWM的極限電流時(shí)觸發(fā)比較器,,關(guān)閉高壓MOSFET開(kāi)關(guān)管,。當(dāng)高壓MOSFET開(kāi)關(guān)管的電流過(guò)大時(shí)也會(huì)觸發(fā)電流極限比較器將其關(guān)閉。經(jīng)過(guò)一段死區(qū)時(shí)間,,低壓MOSFET整流器工作,,電感電流逐漸降低,電流從電感流向輸出電容和負(fù)載,,通過(guò)低壓MOSFET整流器再流回電感中,。在下個(gè)周期開(kāi)始時(shí),時(shí)鐘信號(hào)又關(guān)閉低壓MOSFET整流器并且打開(kāi)高壓MOSFET開(kāi)關(guān)管,,如此循環(huán)往復(fù),。
當(dāng)MODE引腳置為低電平時(shí),TPS62290工作于節(jié)能模式,。當(dāng)負(fù)載電流減小時(shí),也會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入節(jié)能模式,。當(dāng)工作于節(jié)能模式時(shí),,其工作頻率會(huì)降低,負(fù)載電流接近靜態(tài)電流,,輸出電壓會(huì)比正常工作的輸出電壓高大約1%,。此時(shí),輸出電壓會(huì)受到PFM比較器的監(jiān)視,,一旦輸出電壓降低,,器件發(fā)出一個(gè)PFM電流脈沖,觸發(fā)高壓MOSFET開(kāi)關(guān)管,使電感電流上升,。當(dāng)定時(shí)結(jié)束時(shí),,高壓MOSFET開(kāi)關(guān)管關(guān)閉,低壓MOSFET開(kāi)關(guān)管工作,,直到電感電流為零,。
TPS62290有效地將電流傳遞給輸出電容和負(fù)載。如果負(fù)載電流降低,,則輸出電壓會(huì)上升,,如果輸出電壓等于或是高于PFM比較器的極限電壓,芯片將停止工作進(jìn)入睡眠模式,,此時(shí)電流約為15μA,,整個(gè)電源系統(tǒng)的功耗達(dá)到最低。
2.3 可調(diào)輸出電壓原理
TPS62290的電壓輸出范圍為0.6V~Uin(Uin為輸入電壓),,通過(guò)外接一個(gè)電阻取樣網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)整,。其連接方法如圖2所示。
可調(diào)輸出電壓可由下式計(jì)算得到:
其中Uref=0.6V(內(nèi)部基準(zhǔn)電壓),,為了減小反饋網(wǎng)絡(luò)的電流,,R2的值為l80kΩ或是360kΩ,R1與R2的和不能超過(guò)lMΩ,,以抑制噪聲,。外部反饋電容C1必須具有良好的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性,其取值范圍為22~33pF,。電感L的取值為1.5~4.7μH,,輸出電容的取值范圍4.7~22μF。在PCB布線時(shí),,連接FB引腳的線路要遠(yuǎn)離噪聲源,,以減少干擾。
2.4 輸出濾波器" title="濾波器">濾波器設(shè)計(jì)
TPS62290外接電感的取值范圍為1.5~4.7μH,,輸出電容的取值范圍為4.7~22μF,,最優(yōu)工作狀態(tài)下,電感為2.2μH,,輸出電容取10μF,。不同的工作狀態(tài),電感和電容的最佳取值不同,。為了工作穩(wěn)定,,電感取值不得低于1μH,輸出電容不得低于3.5μF,。
(1)電感的選擇
電感的取值直接影響到浪涌電流的大小,。電感的選擇主要依據(jù)是DC阻抗和飽和電流,。電感的浪涌電流隨著感應(yīng)系數(shù)的增加而減小,隨著輸入和輸出電壓的增加而增加,。在PFM模式下,,電感也會(huì)影響到輸出電壓的波動(dòng)。電感取值大,,輸出電壓波紋小,,PFM頻率高,電感取值小,,輸出電壓波紋大,,PFM頻率低。
可以根據(jù)下式確定電感的大?。?/p>
其中f-開(kāi)關(guān)頻率(2.25MHz),、L一電感值、 AIL一波峰電流,、ILmax一最大電感電流實(shí)際中常用的方法是:將TPS62290的最大開(kāi)關(guān)電流作為電感電流額定值,,帶入上式,算出電感大小,。
(2)輸出電容的選擇
TPS6229X系列芯片的輸出電容推薦使用陶瓷電容,,因?yàn)榈虴SR的陶瓷電容可以抑制輸出電壓波紋,電介質(zhì)選用X7R或X5R,。在高頻情況下,,若采用Y5V和Z5U電介質(zhì)的電容,其電容值隨溫度的變化而變化,,不宜采用,。
在額定負(fù)載電流下,TPS62290工作在PWM模式下,,RMS電流計(jì)算如下:
在輕載電流下,,調(diào)整器工作于節(jié)能模式,輸出電壓峰值取決于輸出電容和電感的大小,,大容量的電容和電感可以減小輸出電壓峰值,,以平滑輸出電壓。
3 電路設(shè)計(jì)
DSP雙電源解決方案如圖3所示,。關(guān)于此電路的幾點(diǎn)說(shuō)明:
1)電壓輸入端接電容值為10μF的陶瓷電容(C1,、C2),減小輸入電壓的波動(dòng),。
2)電壓輸出端接陶瓷電容(C5、C6,、C7,、C8),其電容值的選取參見(jiàn)本文2.4節(jié)。
3)U1的使能端接+5V高電平,,上電輸出1.8V電壓,,供給DSP內(nèi)核。
4)U2的使能端接1.8V電壓,,當(dāng)Ul輸出1.8V電壓時(shí)使能U2輸出3.3V電壓,,供給DSP的I/O,這樣就實(shí)現(xiàn)了核電壓先上電,,I/O電壓后上電,。
5)1.8V和3.3V數(shù)字電壓分別通過(guò)鐵氧體磁珠L(zhǎng)3、L4進(jìn)行濾波,,從而輸出1.8V和3.3V的模擬電壓,。
6)電阻R1、R2,、R3,、R4、C3,、C4的取值參加本文2.3節(jié),。
7)電感L1、L2的取值參加本文2.4節(jié),。
8)MODE引腳接地,,芯片工作于節(jié)能模式,功耗降低,。
4 結(jié)論
DSP復(fù)雜的電源系統(tǒng)對(duì)供電要求越來(lái)越高,,如何在保證DSP高性能穩(wěn)定工作的條件下,降低DSP系統(tǒng)的功耗是一個(gè)需要解決的問(wèn)題,。本文介紹了TI公司最新推出的適合DSP低功耗電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源芯片,,并設(shè)計(jì)了基于該芯片的雙電源方案,滿足DSP系統(tǒng)要求的上電順序,。