基于高性能数字信号处理器的供电模块设计
基于高性能数字信号处理器的供电模块设计作者：杨进邱兆坤
来源：《现代电子技术》2008年第11期
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-TS101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，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，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；
中图分类号：TN79 文献标识码：B
文章编号：1004-373X(2008)11-086-
Design of Power Module Based on High-
(SPDF,School of Electronic Science and Technology,National University for Defence
Abstract：The design of power module is an important part in high-powered DSP system.This paper takes a detailed introduction on the design of using TPS54312 and TPS54616,taking ADSPTS101 for example.Firstly,it compares three ways of power and their principle,and then it introduces how to design the appropriate schematic document,at the same time,it gives analysis and synthesis using the soft swift designer offered by TI.And it achieves power desire by the DSP system
Keywords：high-powered DSP;swift designer;power design;TPS54312
1 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ADSPTS101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EP1C12F324，IO电压3.3 V，内核电压，ADSPTS101的IO供电压3.3 V，内核电压1.2 V。其中EP1C12F324对上电次序的要求并不是太严格，电源设计较为简单，采用AS2830-1.5电源芯片即可达到要求。而ADSPTS101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6 A电流。输出电压固定3.3 V，误差率为1%。开关频率可固定在或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。