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基于高性能数字信号处理器的供电模块设计

发布时间:2017-02-17 06:08:09  来源:大电流电感厂家   查看:

摘要:在由高性能数字信号处理器构建的系统中,供电模块的设计是很重要的一个部分。以ADSP-TSl01为例,对应用电源芯片TPS54312和TPS54616设计出符合要求的供电模块进行了详细介绍。首先对3种供电方式进行了对比和原理上的介绍,大电流电感然后介绍了这两款芯片的性能,并详细介绍了如何利用这两款芯片进行原理图的设计以满足功耗、上电次序等设计要求,电感与变压器的区别同时利用TI电源设计辅助软件swift designer进行分析和仿真。经实验,设计完全符合系统供电要求。
关键词:高性能数字信号处理器;swift designer;电源设计;TPS54312


l 引 言
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。

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。由于采用扁平型电感线性调节原理,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。
开关电源利用磁场储能,无论升压、降压或是两者同时进行,都可以实现相当高的变换效率。由于变换效率高,因此发热很小,散热处理得以简化。又由于是开关稳压器电源,与LDO线性电源相比,DC/DC调整器输出纹波电压较大、瞬时恢复时间较慢、容易产生电磁干扰(EMI)。要取得低纹波、低EMI、低噪声的电源,关键在于电路设计,尤其是输入/输出电容、输出电感的选择和布局。因此在三种电源设计方案中,开关电源的设计要较另两种电源设计方案复杂。但由于开关电源设计灵活,耗热小,成本也较低,在系统电源模块设计中,仍不失一种较好的选择。
电源模块塑封电感器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。


2 芯片选型和功能介绍
由于ADSPTSl01信号处理部分仅是整个系统的一个子部分,结合其他部分的供电要求,FPGA芯片采用ATERA公司的EPlCl2F324,IO电压3.3 V,内核电压1.5 V,ADSPTS101的IO供电压3.3V,内核电压1.2V。其中EPlCl2F324对上电次序的要求并不是太严格,电源设计较为简单,采用AS2830一1.5电源芯片即可达到要求。而ADSPTSl01对上电次序有较为严格的要求,当上电次序没有达到要求时,既使上电后进行复位初始化后,初始状态仍然可能不对。因此,系统电源部分设计的重点在于满足ADSPTS101的上电要求。当然,采用电源模块,如PT6944芯片可以满足设计要求,但基于开关电源和电源模块的比较优势,本系统采用开关电源进行设计。采用的电源芯片为TI公司的TPS54616和TPS54312。
TPS54616是一款TI公司推出的适合DSP,FPGA,ASIC等多芯片系统供电的电源芯片,是一款低电压输入、大电流输出的同步降压DC/DC调整器,内含30MQ、12 A峰值电流的MOSFET开关管,最大可输出6A电流。输出电压固定3.3V,误差率为1%。开关频率可固定在350 kHz或550 kHz,也可以在280 kHz到700 kHz之间调整。另外,它还具有限流电路、低压闭锁电路和过热关断电路。
TPS54312也同样是TI推出的一款低电压输入,大电流输出的同步降压DC/DC调整器。所不同的是,TPS54312对于连续3 A的电流高效输出,集成的MOS-FET开关管为60MQ,同时其绕行电感器固定电压输出为1.2V。

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