基于TPS759XX多片信號(hào)處理系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)

1 引言

在大型的通信信號(hào)處理系統(tǒng)和雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)中，隨著器件的規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)電源的性能和功率及其外圍濾波電路的要求也越來(lái)越高，電源設(shè)計(jì)對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)的能否正常工作起著至關(guān)重要的作用。

在實(shí)際應(yīng)用中，通常利用線性電源或者開(kāi)關(guān)電源給整個(gè)系統(tǒng)供電，而對(duì)于每一塊獨(dú)立的電路板上的每一個(gè)集成芯片則需要DC-DC電壓調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)后供電。其中線性調(diào)節(jié)器的輸入電流接近于輸出電流，它的效率（輸出功率/輸入功率）接近于輸出/輸入電壓比。因此，壓差是一個(gè)非常重要的性能，因?yàn)楦偷膲翰钜馕吨叩男省?a target="_blank">LDO（LowDropout）線性電壓調(diào)節(jié)器的低壓差特性有利于改善電路的總體效率，這里所介紹的TPS759XX就是LDO線性電壓調(diào)節(jié)器。

2 TPS759XX系列電壓調(diào)節(jié)器概述

TPS759XX系列是TI公司專門(mén)為DSP、ASIC和FPGA等多芯片系統(tǒng)供電而設(shè)計(jì)的LDO線性穩(wěn)壓器，圖1是電路簡(jiǎn)化原理框圖。TPS759XX共有5個(gè)引腳，VIN是輸入電壓，VOUT是輸出電壓，F(xiàn)B是電阻配置引腳，GND是數(shù)字地，EN是調(diào)壓使能引腳。

圖1 TPS759XX系列電壓調(diào)節(jié)器原理圖

TPS759XX系列電壓調(diào)節(jié)器的主要特性如下：

(1)最大輸出電流7.5A，是TI公司TPS系列線性電源輸出電流最大之一，因此特別適用于ADSP這類需要大電流驅(qū)動(dòng)的芯片。

(2)可以提供固定1.5V、1.8V、2.5V、3.3V等典型電壓，對(duì)于特殊的電壓要求情況下，輸出可調(diào)節(jié)（TPS75901），可以通過(guò)串聯(lián)適當(dāng)阻值的電阻來(lái)獲得需要的電壓值。

(3)可快速響應(yīng)線性電壓和負(fù)載電流的瞬態(tài)變化,在某些應(yīng)用中，通常要求DSP、MPU、MCU和PLD必須迅速?gòu)氖‰姷乃吆痛龣C(jī)狀態(tài)進(jìn)入全工作模式。該系列LDO足以滿足上述應(yīng)用的需要。

(4)Dropout電壓很低，大約幾百毫伏，輸出電流成正比。靜態(tài)電流很低，而且與輸出負(fù)載無(wú)關(guān)。(5)推薦工作條件是輸入電壓為2.8"5.5V，輸出電壓為1.22"5V，輸出電流為0"7.5A，工作溫度TJ保證在-40"125℃范圍內(nèi)。

3 信號(hào)處理系統(tǒng)的板級(jí)電源設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中的信號(hào)處理系統(tǒng)電路板由外部統(tǒng)一提供5V和3.3V直流電源，電路板上的主要集成芯片包括1片CPLD/FPGA，5片DSP芯片，1片A/D和1片D/A轉(zhuǎn)換芯片，時(shí)鐘晶振及時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)和輸出驅(qū)動(dòng)等。對(duì)于5V和3.3V模擬電壓和數(shù)字電壓直接由板外部供給；而對(duì)于CPLD/FPGA和DSP通常有一種以上的供電要求。采用Altera公司的FPGAEP1K100，它的輸入輸出供電電壓是3.3V，內(nèi)核供電電壓為2.5V，總負(fù)載電流小于1A；采用AD公司的DSP芯片ADSPTS101，其供電電壓和電流的要求見(jiàn)表1，有至少兩種的電源要求。在選擇電壓調(diào)節(jié)器時(shí)一定要知道輸出電壓和最大負(fù)載電流，多芯片系統(tǒng)中，由于所需驅(qū)動(dòng)電流較大，因此只有TPS759XX這類大電流輸出電壓調(diào)節(jié)器能滿足要求。對(duì)于具有5片DSP芯片的系統(tǒng)，當(dāng)DSP滿負(fù)荷工作時(shí)的電流約為6.1A。考慮信號(hào)處理系統(tǒng)所需，通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器變壓得到的電壓應(yīng)是2.5V和1.2V，總負(fù)載電流小于7.5A，一片TPS75901（或者TPS75925）就可以滿足需要。若總負(fù)載電流大于7.5A時(shí)要增加TPS759XX，否則將影響芯片的正常工作。



4 信號(hào)處理系統(tǒng)中TPS759XX應(yīng)用配置考慮

4.1 對(duì)于輸出電壓可調(diào)節(jié)情況的電阻配置

對(duì)于固定輸出的TPS75915(VO=1.5V)、TPS75918(VO=1.8V)、TPS75925(VO=2.5)、TPS75933(VO=3.3)不需要配置電阻，對(duì)于輸出可調(diào)節(jié)的TPS75901則需要配置外部電阻來(lái)得到需要的輸出電壓。圖2所示是TPS95901典型應(yīng)用電路。



圖2 TPS75901電壓調(diào)節(jié)器典型應(yīng)用電路

輸出固定情況下，F(xiàn)B（PG）引腳用于指示輸出電壓的狀態(tài)。輸出可調(diào)節(jié)情況下，F(xiàn)B引腳用于電壓反饋輸入引腳，在VO和FB之間配置電阻可以獲得所需電壓。輸出電壓利用下式計(jì)算：VO=Vref（1+R1/R2）這里內(nèi)部參考電壓Vref=1.224V。選擇電阻R1和R2應(yīng)該保證分壓電流大約40μA。推薦選擇R2=30.1kΩ，R1根據(jù)輸出電壓的給定值來(lái)確定。R1的取值可由下面的式子計(jì)算而得：R1=(VO/Vref-2)R2。

4.2 濾波電容

為了保證輸入的穩(wěn)定性，在輸入電壓和地之間要連接瓷片電容（0.22"1μF），并且要盡量靠近輸入電壓引腳安裝。由于電源本身存在阻抗，會(huì)引起輸入電壓下降，當(dāng)降到一定程度，TPS759XX將停止工作，因此最好和瓷片電容并聯(lián)一大電解電容，電容值的范圍為47"1000μF。

5 信號(hào)處理系統(tǒng)PCB板電源設(shè)計(jì)考慮

所有的集成電路都有一個(gè)最大允許的節(jié)點(diǎn)溫度，超過(guò)運(yùn)行節(jié)點(diǎn)溫度，器件將不能正常工作，LDO線性電壓調(diào)節(jié)器也不例外。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須考慮運(yùn)行環(huán)境使運(yùn)行節(jié)點(diǎn)溫度不超過(guò)最大運(yùn)行節(jié)點(diǎn)溫度。通常情況下，線性調(diào)節(jié)器的最大功率可以通過(guò)以下的公式計(jì)算出來(lái)：

PDmax=（VI(avg)-VO(avg)）IO(avg)+VI(avg)×I(Q)（1）

式中：VI(avg)為平均輸入電壓；VO(avg)為平均輸出電壓；IO(avg)為平均輸出電流；I(Q)為靜態(tài)電流

對(duì)于大部分TI的LDO調(diào)節(jié)器，與平均輸出電流相比，靜態(tài)電流可以忽略。因此式（1）的后一項(xiàng)可以忽略。運(yùn)行節(jié)點(diǎn)溫度等于環(huán)境溫度與調(diào)節(jié)器功耗引起的溫度增加之和。溫度增加可以由下面的公式計(jì)算而得。公式如下：

TR=PDmax×（RJC+RCS+RSA）(2)

TJ=TA+TR(3)

式中：TA為環(huán)境溫度；TR為調(diào)節(jié)器功耗引起的溫度增加；TJ為工作溫度式（2）中（RJC+RCS+RSA）項(xiàng)與封裝形式和散熱器有關(guān)。工作溫度TJ要限制在-40"+125℃范圍內(nèi)，因此散熱問(wèn)題必須考慮。TPS759XX系列有兩種封裝形式。對(duì)于TO-220封裝形式，通過(guò)打孔和貼裝散熱片提供了一種有效的散熱方式；對(duì)于TO-263封裝形式，通過(guò)增大引腳的敷銅面積散熱效果好。一種通過(guò)增大引腳敷銅面積散熱的封裝示意圖如圖3所示。



圖3 參考封裝

在進(jìn)行PCB板設(shè)計(jì)過(guò)程中，電源要單獨(dú)置于一層，電源層應(yīng)采用電源分割的形式，每個(gè)芯片每種電源分別分割成不同的電源塊，電流流入處要放置大的過(guò)孔，且大面積敷銅。電源分割寬度和所置過(guò)孔的規(guī)格應(yīng)根據(jù)電流的大小來(lái)確定，表2中所示是標(biāo)準(zhǔn)條件下，安全工作載流量對(duì)照表。



已知敷銅厚度的情況下，可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)電流的分割寬度或者孔徑及孔數(shù)目，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分割和打過(guò)孔。例如，設(shè)敷銅厚度h=0.04mm，電流I=3A，計(jì)算分割寬度w。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)截面積應(yīng)該是0.14mm2，則w=0.14/0.04=3.5mm，電源分割時(shí)的最小寬度應(yīng)大于此值。

6 信號(hào)處理系統(tǒng)的供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

對(duì)于壓差較小的情況，可以一次降壓，降到所要求的電壓，比如由3.3V降到2.5V，這種情況相對(duì)簡(jiǎn)單，只需配置適當(dāng)?shù)妮斎胼敵鰹V波網(wǎng)絡(luò)即可；對(duì)于壓差較大的情況，可以采用分級(jí)降壓的方式，這種方式可以減小電流損耗，提高調(diào)節(jié)器的工作效率，同時(shí)避免功率過(guò)高引起調(diào)節(jié)器溫度過(guò)高。圖4所示是信號(hào)處理系統(tǒng)板級(jí)供電電源實(shí)現(xiàn)框圖。圖5是實(shí)現(xiàn)電路圖。



圖4 信號(hào)處理系統(tǒng)板級(jí)供電電源實(shí)現(xiàn)框圖



圖5 信號(hào)處理系統(tǒng)板級(jí)供電電源參考電路圖

對(duì)于多芯片系統(tǒng)，最好采用各個(gè)芯片分別供電的方式，第一級(jí)可以采用TPS75901或者TPS75925，電壓由3.3V降到2.5V，為了說(shuō)明電阻配置方法，這里采用TPS75901，為了保證精度，用一個(gè)固定電阻R1和一個(gè)可變電阻RP1通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)得到2.5V，根據(jù)前面所述計(jì)算方法，可變電阻應(yīng)調(diào)節(jié)到61.479kΩ。第二級(jí)根據(jù)板上芯片的多少，配以對(duì)應(yīng)數(shù)量的小電流調(diào)節(jié)器REG1117A分別降壓到1.2V，5片ADSP要用到5片REG1117A，由于篇幅所限，圖中只給出2片的情況，其余相同。輸出的1.2V再通過(guò)不同的濾波網(wǎng)絡(luò)為DSP提供1.2V的模擬電源和數(shù)字電源。濾波電容的配置電路圖中已詳細(xì)給出，PCB設(shè)計(jì)時(shí)每個(gè)電源引腳附近還要放置去耦電容。圖中供電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法在實(shí)際應(yīng)用中性能良好。