采用TPS54310的雷達視頻信號模擬器的電源電路設(shè)計

　　雷達視頻信號模擬器是調(diào)試雷達信號處理機的重要設(shè)備，具有模擬環(huán)境和目標視頻回波信號功能，用于評估雷達信號處理器性能。由于模擬生成雷達視頻信號需要大量運算，為了保證系統(tǒng)的實時性，采用TI公司的TMS320C6713B DSP作為信號合成的核心元件，采用XIUNX的Spartan-IIE系列FPGA控制系統(tǒng)時序邏輯，從而增加系統(tǒng)設(shè)計的靈活性，簡化設(shè)計。由于 TMS320C6713B DSP的MW核電壓為1．2 V，外圍I／O電壓為3．3 V;而FPGA的內(nèi)核電壓為1．8 V，外圍I／O電壓為3．3 V，所以電源系統(tǒng)至少需要產(chǎn)生三種電壓。另外，必須考慮上電順序，如果只有DSP或FPGA的內(nèi)核獲得供電，外圍I／O無供電，則不會損壞器件的，僅無輸入／輸出：反之，如果外圍I／O獲得供電而CPU內(nèi)核無供電，那么器件緩沖／驅(qū)動部分的三極管將工作于未知狀態(tài)，這是非常危險的。考慮到DSP的功耗較大，且本系統(tǒng)要求多片DSP同時工作，若采用線性電源。必產(chǎn)生較大的熱損耗，因此采用輸出電壓可調(diào)、高轉(zhuǎn)換率的開關(guān)電源實現(xiàn)電源系統(tǒng)的設(shè)計。

　　本系統(tǒng)設(shè)計采用低電壓輸入、大電流輸出的同步PWM降壓式電壓轉(zhuǎn)換器TPS54310實現(xiàn)電源系統(tǒng)設(shè)計，采用TPS54310只需少量外圍元件，60 mΩ的MOSFET開關(guān)管可保證在持續(xù)3 A的輸出電流時轉(zhuǎn)換率高于92％；通過配置外圍元件產(chǎn)生0．9 V、1．2 V、1．5 V、1．8 V、2．5 V、3．3 V的電壓，PWM頻率范圍為280 kHz~700 kHz：利用峰值電流限制和熱關(guān)斷實現(xiàn)過載保護：強散熱型PWP封裝具有更好的散熱功能。此外，TI公司還提供該系列電源器件的設(shè)計工具一SWIFT軟件，可輔助完成電源系統(tǒng)設(shè)計，縮短研發(fā)周期。

　　內(nèi)核電壓及外圍I/O接口電路

　　由于TPS54310可通過調(diào)節(jié)外圍電阻的阻值，產(chǎn)生系統(tǒng)所需1．2 V、1．8 V、3．3 V，其各路電壓產(chǎn)生的電路原理圖如圖1～圖3所示，圖1產(chǎn)生1．2 V電壓，圖2產(chǎn)生1．8 V電壓，圖3可產(chǎn)生3．3 V電壓，因各電路原理基本相似，本文以圖1為例說明如何調(diào)整輸出電壓的幅值，以滿足電源系統(tǒng)要求。本設(shè)計中所有TPS54310的開關(guān)頻率都設(shè)置為700 kHz，該頻率的設(shè)置通過計算。以圖1為例，其中fSW為可設(shè)置的開關(guān)頻率，其設(shè)置范同為280kHz～700 kHz，同時要求SYNC保持開路狀態(tài)。

　　系統(tǒng)采用TI公司的TMS320C67-13B DSP和Xilinx的Spartan-IIE系列FPGA，這兩種器件均需內(nèi)核電壓和外同I／O電壓。上電時，要保證內(nèi)核先加電，外圍I／O后加電；掉電時，應(yīng)先關(guān)斷外圍I／O電源，再關(guān)斷內(nèi)核電源。實現(xiàn)內(nèi)核電壓與外圍I／O電壓的順序供電，可通過調(diào)整TPS54310的SS／ENA引腳所連接的電容并利用其PWRGD和 SS／ENA信號滿足順序供電要求。SS／ENA引腳通過一只小容量電容接地，實現(xiàn)使能、輸出延遲和電壓上升延遲，其延遲時間與容值成正比。

　　電壓監(jiān)控與復位電路

　　電壓監(jiān)控電路的工作原理：系統(tǒng)上電期間，監(jiān)控器件的復位信號保持有效，使DSP和其他器件始終處于復位狀態(tài)，一旦監(jiān)控的電壓值都達到規(guī)定的門限電壓，則釋放復位，DSP等器件即可正常工作。在工作過程中，如果任一監(jiān)控電壓低于門限值，監(jiān)控器件再次發(fā)送復位信號使系統(tǒng)復位。

　　電壓監(jiān)控與復位電路采用TI公司的TPS3307-18D實現(xiàn)。TPS3307-18D是一款微處理器電源控制器，可同時輸出高電平有效和低電平有效的復位信號；同時監(jiān)控三路獨立的電壓：3．3 V、1．8 V、可調(diào)電壓；具有內(nèi)部定時器，復位后即使監(jiān)控電壓均已超過門限值，仍需200 ms才能退出復位狀態(tài)，這樣可確保系統(tǒng)在復位期間完成初始化。本系統(tǒng)的DSP、FPGA等器件的復位信號均是低電平有效，因此采用TPS3307-18D 的RESET信號實現(xiàn)復位，采用RESET作為復位指示，實現(xiàn)系統(tǒng)中的3．3 V、1．8 V、1．2 V（放大到3．6 V）的電壓監(jiān)控，電壓監(jiān)控與復位電路如圖4所示。只要TPS3307-18D的供電電壓高于1．1 V，當所監(jiān)控電壓中任意一個電壓低于其門限值，就可發(fā)出復位信號，使相關(guān)器件復位。另外，TpS3307-18D還具有一個手動復位信號，通過復位按鈕手動復位。

　　由于開關(guān)DC-DC存在高頻干擾，故在PCB布局及外圍器件選擇時應(yīng)注意合理布線及選擇恰當?shù)耐鈬骷?，能有效降低開關(guān)噪聲。輸出電容的位置要靠近電感的輸出端：功率電感布線要盡量寬；誤差放大器的反饋輸入端要遠離功率電感等。為使TPS54310在大負載下正常工作，要使其熱焊盤大面積接地，加快散熱；而其外圍器件則應(yīng)選用帶有屏蔽罩的功率電感和低ESR的輸出電容。經(jīng)使用證明，本系統(tǒng)設(shè)計的電源系統(tǒng)能為雷達視頻模擬器提供穩(wěn)定的電源，同時轉(zhuǎn)換率高達92％、輸出電壓紋波小于0．05 V、輸出功率最大可達19 W、動態(tài)響應(yīng)快。另外，電壓監(jiān)控與復位電路使整個系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作，同時也避免因電壓波動而造成DSP加載異常，所以本系統(tǒng)設(shè)計的電源系統(tǒng)也適用于其他 DSP系統(tǒng)應(yīng)用場合。