基于TPS54310的SOC電源電路設(shè)計(jì)

　O 引言

　　目前，片上系統(tǒng)(SOC)芯片已經(jīng)在無(wú)線(xiàn)通信、工業(yè)控制、視頻監(jiān)控等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用伍配，SOC系統(tǒng)需要考慮接口驅(qū)動(dòng)電路、動(dòng)態(tài)電源管理和電源電路等問(wèn)題茁帚，其中跨峡，良好的電源電路是成功實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要保障。本文就應(yīng)用于視頻監(jiān)控的TMS320DM64xx系列SOC外部電源電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論娶痕。

　　1 TMS3320DM64xx系列SOC對(duì)電源的要求

　　TMS3320DM64xx系列SOC是應(yīng)用于數(shù)字視頻的片上處理平臺(tái)拦举，具有DSP與ARM雙核結(jié)構(gòu)，需要內(nèi)核與I／0兩種電源数截，而內(nèi)核電源又分為CVDD(1．2V)和CVDDDSP(1．2V)盐传，I／0電源分為DVDDl8(1．8V)，DVDDR2(1．8V)俗退，DVDD33(3．3V)漆粉。由于通常TMS3320DM64xx用于嵌入式系統(tǒng)中，因而满葛，電源電路設(shè)計(jì)不僅要考慮電壓的精度径簿、穩(wěn)定度和外圍電路的復(fù)雜度等問(wèn)題，還要考慮低功耗問(wèn)題嘀韧，另外根據(jù)設(shè)計(jì)工藝牍帚，為了保證芯片正常工作，在系統(tǒng)上電乳蛾、關(guān)機(jī)及穩(wěn)壓操作時(shí)，對(duì)這幾種電源還有一定的排序要求鄙币，如果違反該要求肃叶，可能降低器件的性能或永久損壞器件。

　　圖1(a)十嘿、圖1(b)分別顯示的是內(nèi)核電源之間以及內(nèi)核電源與I／0電源之間的上電時(shí)序因惭。內(nèi)核電源的上電時(shí)序依賴(lài)復(fù)位時(shí)選擇的DSP啟動(dòng)模式：如果DSP初始化模式被配置為自啟動(dòng)模式，要求兩個(gè)內(nèi)核電源同時(shí)上電绩衷；如果DSP被配置為主機(jī)啟動(dòng)模式(即ARM啟動(dòng)DSP)蹦魔，要求兩個(gè)內(nèi)核電源分別上電，CVIDD優(yōu)先于CVDDDSP咳燕，而CVDDDSP必須在復(fù)位信號(hào)開(kāi)啟(關(guān)閉)之前上電唐故。如圖1(b)所示鉴吞，I／O電源必須在CVDD電源上電后的100ns內(nèi)上電，各個(gè)I／O電源的上電順序沒(méi)有要求父系。

　　根據(jù)TMS3320DM64xx SOC的數(shù)據(jù)手冊(cè)摹椅，內(nèi)核電源的最大電流為767mA，而I／O電源的最大工作電流是102 mA椒蜜，參考TI提供的相關(guān)方案分析得出梦啊，性能優(yōu)越的TPS543lx(x=0，l厌留，2炼岖，3，4囊像，5楔侣，6)系列DC／DC調(diào)節(jié)器符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，其中动苍，TPS54310的輸出可調(diào)尚憔，而沒(méi)有內(nèi)部補(bǔ)償功能；其它芯片的輸出不可調(diào)帘撰，而具有內(nèi)部補(bǔ)償跑慕。盡管具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)男酒軌蚬?jié)約電路板空間并減少芯片總量，但由于多種型號(hào)芯片共存會(huì)引起調(diào)試難度的增大摧找，故采用具有可調(diào)輸出特性的TPS54310以降低系統(tǒng)調(diào)試難度核行。

　　2 TPS54310特性分析

　　TPS54310是一款開(kāi)關(guān)電源調(diào)節(jié)器，其功能原理圖如圖2所示蹬耘，能夠?qū)崿F(xiàn)低電壓輸入和高電流輸出(輸入電壓范圍為3～6V芝雪，輸出電壓在0．9~3．3V之間可調(diào)，輸出電流為3A)综苔；內(nèi)部具有電壓誤差放大器惩系，能夠提高瞬態(tài)響應(yīng)條件下的工作性能；可以分別從內(nèi)部或外部設(shè)置慢啟動(dòng)方式如筛；其良好的電源輸出特性可用于處理器／邏輯復(fù)位堡牡、故障信號(hào)檢測(cè)和連續(xù)電源。

　通過(guò)配置相應(yīng)管腳或?qū)?nèi)部編程可以實(shí)現(xiàn)以下功能杨刨。

　　2．1 靈活控制器件的啟動(dòng)／關(guān)斷特性

　　上電過(guò)程中晤柄，當(dāng)輸入電壓不夠時(shí)，將內(nèi)部電路置于靜止?fàn)顟B(tài)吊冬，器件不工作擒摸；輸入電壓開(kāi)始等于并超出正常的起始門(mén)限(2．95V)時(shí)，激活內(nèi)部電路量伏，控制器件開(kāi)始工作兴氧。電壓穩(wěn)定后夏坝，當(dāng)輸入電壓幅度再次降低到關(guān)閉門(mén)限(2．8V)時(shí)，器件停止工作尿笔。另外翁焦，由于內(nèi)部比較器的滯后作用和2．5μs上升與下降沿抗尖峰電路的存在，降低了由于混入輸入電壓內(nèi)的噪聲而引起器件瞬間關(guān)斷的可能性临颈。

　　2．2 自定義啟動(dòng)時(shí)間

　　通過(guò)在SS／ENA(慢啟動(dòng)／芯片使能)管腳和AGND(模擬地)管腳之間加一個(gè)小電容(Css)能夠達(dá)到延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間的目的茎倘，延遲時(shí)間的計(jì)算公式為

　　2．3 設(shè)定轉(zhuǎn)換頻率

　　轉(zhuǎn)換頻率可以被設(shè)定為固定的350kHz或550kHz內(nèi)部振蕩器頻率，也可以被設(shè)定為可調(diào)的280kHz～700kHz蚂青。振蕩頻率的設(shè)定由SYNC和RT管腳共同決定租江，當(dāng)SYNC懸空或接地，而RT懸空時(shí)孝承，轉(zhuǎn)換頻率為350kHz献丑；當(dāng)SYNC接入大于2．5V的電壓，而RT懸空時(shí)侠姑，轉(zhuǎn)換頻率為550kHz创橄；當(dāng)SYNC懸空，而RT與地之間接入68k到180k之間的電阻時(shí)莽红，轉(zhuǎn)換頻率為可調(diào)的280kHz～700kHz妥畏。

　　轉(zhuǎn)換頻率的計(jì)算公式為

　　式中：Fsw為轉(zhuǎn)換頻率；R為端接在RT引腳上的電阻值安吁。

　　2．4 過(guò)電流保護(hù)

　　判斷電流流向醉蚁，當(dāng)電流從VIN流向PH時(shí)，啟動(dòng)高端場(chǎng)效應(yīng)管和差分放大器鬼店，器件能夠感知流經(jīng)高端場(chǎng)效應(yīng)管和差分放大器的電流网棍，并將之與過(guò)電流門(mén)限進(jìn)行比較，限流操作在每開(kāi)關(guān)周期內(nèi)進(jìn)行妇智。當(dāng)達(dá)到限流門(mén)限時(shí)滥玷，高端場(chǎng)效應(yīng)管會(huì)在200ns時(shí)間內(nèi)關(guān)斷，在吸收電流過(guò)量時(shí)巍棱，由熱關(guān)斷電路進(jìn)行負(fù)載保護(hù)信撞。

　　2．5 熱關(guān)斷

　　當(dāng)溫度超出150℃時(shí)，使用熱關(guān)斷電路關(guān)閉內(nèi)部場(chǎng)效應(yīng)管的電源颁膊，當(dāng)溫度低于熱關(guān)斷觸發(fā)點(diǎn)10℃時(shí)，器件停止關(guān)斷狀態(tài)别逐，并在慢啟動(dòng)電路的控制下重新開(kāi)始工作撒殷。

　3 基于TPS54310的SOC電源電路設(shè)計(jì)

　　參考SWIFT De signer軟件，設(shè)計(jì)了基于TPS54310的TMS3320DM64xX SOC的三種電源電路敢智，以3．3V I/O電源電路為例(參見(jiàn)圖3)杏县，其主要步驟如下匹说。

　　3．1 選擇轉(zhuǎn)換頻率

　　由前節(jié)的特性分析可知，轉(zhuǎn)換頻率分為固定和可調(diào)兩種戳橱。由于SYNC設(shè)置的固定頻率誤差為±20％卫驯，不符合SOC系統(tǒng)的高精度要求，因而選用頻率可調(diào)的方式了奋。

　　3．2 選擇輸入電容

　　TPS54310的輸入端需要一個(gè)去耦電容(圖3中的C9)和一個(gè)大電容(圖3中的C1)毫痢。去耦電容用于降低器件輸入端的高頻噪聲，選擇陶瓷電容并盡量使之與芯片靠近放置以保證完全起作用秉馏；大電容用于降低輸入總線(xiàn)的電壓波動(dòng)耙旦，如果選擇的去耦電容足夠大(10μF以上)，能夠進(jìn)行足夠的濾波萝究，則大電容可以省略免都。決定是否需要大電容的因素有：

　　(1)系統(tǒng)輸入電源允許的最大波動(dòng)值(Vrip)，為保證正常工作帆竹，Vrip卻應(yīng)該低于300mVpp绕娘，根據(jù)式(3)有

式中：Vin為沒(méi)有大電容時(shí)的實(shí)際最大的峰峰波動(dòng)電壓值；IOUT(MAX)為最大的直流負(fù)載電流栽连；fsw為選擇的轉(zhuǎn)換頻率险领，如果Vin值大于Vrip的值，則需要大電容升酣。

　　(2)如果加了一個(gè)大電容舷暮，該電容能夠降低在高端場(chǎng)效應(yīng)管啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電流脈沖所帶來(lái)的輸入電壓的變化，而流經(jīng)大電容的匹配電阻(ESR)的電壓也會(huì)帶來(lái)波動(dòng)噩茄，因而要求使用大電容和小匹配電阻下面。

　　3．3 選擇輸出濾波器組件

　　輸出濾波器組件包括輸出電感(圖3中的L1)和輸出電容(圖3中的C2)。選擇輸出電容需要考慮三個(gè)因素：直流額定電壓绩聘、額定的波動(dòng)電流和最大的輸出波動(dòng)電壓董翻，其直流額定電壓至少大于輸出電壓的10％。

　　3．4 選擇補(bǔ)償組件

　　如圖3所示钱淳，C7桨挂、R3、C6和R5恳瞄、R1布布、C8共同構(gòu)成電路補(bǔ)償回路網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)設(shè)計(jì)補(bǔ)償時(shí)漩践，需要考慮很多因素鹃封，首先，根據(jù)式(4)檢測(cè)補(bǔ)償?shù)恼`差放大器允許的最大帶寬肝唁，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該使實(shí)際的帶寬小于FRW趟伺。

然后卑保，根據(jù)式(5)計(jì)算所需的的回路交叉頻率FCO，F(xiàn)BW的值由式(4)得出酸疹。

　　式中：FCO為所需的回路交叉頻率天俺；LOUT為選擇的輸出電感。

　　最后計(jì)算R2雌芽，C7授艰、R3、C6和R5膘怕、R1想诅、C8的值。首先選擇R1和R2的值岛心，這兩個(gè)電阻值決定了輸出電壓的值来破，因而必須是0．1％精度電阻。R1的范圍在10kΩ到50kΩ之間忘古，然后根據(jù)式(6)計(jì)算出指定輸出的電壓值徘禁，再確定R2的值。然后利用式(7)一式(11)選擇C7髓堪、R3送朱、C6和R5、C8的值干旁。

　　3．5 選擇慢啟動(dòng)時(shí)間

　　由式(1)可知驶沼，在SS／ENA管腳上連接的電容使啟動(dòng)延遲了16ms。

　　如圖3所示朋暴，Vin為輸入端佛缕，Vo為輸出端；R2用于決定輸出電壓的值下抬；100μF的C1和47μF的C9共同構(gòu)成了輸入信號(hào)的去耦合器陈汇；C7、R3紧燎、C6和R5燕柠、R1、C8共同構(gòu)成電路補(bǔ)償回路網(wǎng)絡(luò)戒款；L1和C2作為輸出信號(hào)的濾波器尊慷；RT引腳接了一個(gè)178kΩ的電阻而SYNC懸空，即內(nèi)部的轉(zhuǎn)換頻率在280kHz到700kHz之間可調(diào)区孩，由式(2)可得肖婴，

　　另外，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了保證輸入信號(hào)的噪聲盡可能小蜈沛，還應(yīng)該在電源與輸入引腳之間連接一個(gè)LC濾波器。

　　對(duì)芯片的輸出特性進(jìn)行了軟件仿真分析革半，如圖4所示碑定，當(dāng)設(shè)定輸入電壓為5V，輸出電壓為3．3V又官，轉(zhuǎn)換頻率為280kHz時(shí)延刘，其實(shí)際輸出電壓在3．191V到3．358V之間，最大誤差為3．3％六敬，具有較高的精度和穩(wěn)定度碘赖；輸出電流為3A，具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力外构；實(shí)際的轉(zhuǎn)換頻率在252kHz到300kHz之間普泡，滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)電源響應(yīng)速度的要求；功耗與效率相關(guān)审编，效率越高撼班，在負(fù)載功耗一定的情況下，系統(tǒng)總功耗就越低垒酬，芯片的最低效率達(dá)到91％砰嘁，完全滿(mǎn)足系統(tǒng)的低功耗要求。由上述分析可知薛苫，該電路工作性能良好鹤梯。

　　1.2V電源電路和1.8VI／O電路的產(chǎn)生方法與上述方法相同。通過(guò)核電源與I／O電源產(chǎn)生電路之間加入延遲電路來(lái)保證上電時(shí)序的正確性排貌。圖5顯示的就是以TPS54310為基本核心的多組電路TMS320DM64xx電源的原理圖犬洽。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　以高性能DC／DC調(diào)節(jié)器TPS54310為核心設(shè)計(jì)的TMS320DM64xx SOC電源電路，能夠提供穩(wěn)定精準(zhǔn)的核電壓和I／O電壓带超，外部附加簡(jiǎn)單的延時(shí)電路可以保證正確的上電時(shí)序绰尖，能夠?yàn)镾OC系統(tǒng)建立可靠的電源電路，正確實(shí)現(xiàn)SOC系統(tǒng)的功能昨宋。

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電源穩(wěn)壓

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