高性能数字信号处理器的供电模块设计方案解析

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，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；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，同时其固定电压输出为1．2V。
　　另外，TPS54616和TPS54312均采用集成化设计，减少了元件数量和体积，因此，可广泛用于低电压输入、大电流输出的分散电源系统中。