基于DSP電源系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)

自從美國(guó)TI公司推出通用可編程DSP芯片以來(lái)，DSP技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。DSP電源設(shè)計(jì)是DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，低功耗是DSP電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。由于DSP一般在系統(tǒng)中要承擔(dān)大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算，在CPU內(nèi)部，頻繁的部件轉(zhuǎn)換會(huì)使系統(tǒng)功耗大大增加，降低DSP內(nèi)部CPU供電的核電壓是降低系統(tǒng)功耗的有效方法，因此TI公司的DSP大多采用低電壓供電方式。

從一定程度上說(shuō)，選擇什么樣的DSP就決定系統(tǒng)處于什么樣的功耗層次。在實(shí)際應(yīng)用中，電源系統(tǒng)直接決定了DSP能否在高性能低功耗的情況下工作，因此，一個(gè)穩(wěn)定而可靠的電源系統(tǒng)是至關(guān)重要的。

TI公司最新推出的TPS6229X系列開關(guān)電源芯片有兩種工作模式：PWM模式和節(jié)能模式。在額定負(fù)載電流下，芯片處于PWM模式，高效穩(wěn)定的為DSP供電，當(dāng)負(fù)載電流降低時(shí)，芯片自動(dòng)轉(zhuǎn)入節(jié)能模式，以減小系統(tǒng)功耗，適宜于DSP系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)，本文主要介紹了該芯片的特點(diǎn)，并給出了基于此芯片的DSP電源電路。

l DSP電源特點(diǎn)

1．1 電源要求

TI公司的DSP需要給CPU、FLASH、ADC及I／O等提供雙電源供電，分別為1．8V或2．5V核電源和3．3V的I／O電源，每種電源又分為數(shù)字電源和模擬電源，即數(shù)字1．8V(2．5V)、模擬1．8V(2．5V)，數(shù)字3．3V，模擬3．3V。相對(duì)與模擬電源和數(shù)字電源，也要求有模擬地和數(shù)字地。數(shù)字電源與模擬電源單獨(dú)供電，數(shù)字地與模擬地分開，單點(diǎn)連接。

DSP大多采用數(shù)字電源供電，可以通過(guò)數(shù)字電源來(lái)獲得模擬電源，主要有兩種方式： (1)數(shù)字電源與模擬電源、數(shù)字地與模擬地之間加電感或鐵氧體磁珠構(gòu)成無(wú)源濾波網(wǎng)絡(luò)。鐵氧體磁珠在低頻時(shí)阻抗很低，在高頻時(shí)很高，可以抑制高頻干擾，從而消除數(shù)字電路的噪聲。 (2)采用多路穩(wěn)壓器。方法(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能滿足一般的應(yīng)用要求，方法(2)有更好的去耦效果，但電路復(fù)雜成本高。

1．2 供電次序

TI公司DSP采用雙電源供電，因此，需要考慮上電、掉電順序。大部分DSP芯片要求內(nèi)核電壓先上電，I／O電壓后上電。因?yàn)槿绻挥蠧PU內(nèi)核獲得供電，周邊I／O沒有供電，對(duì)芯片不會(huì)產(chǎn)生損害，只是沒有輸入輸出能力而已；如果周邊I／O獲得供電而CPU內(nèi)核沒有加電，那么DSP緩沖驅(qū)動(dòng)部分的三極管處于未知狀態(tài)下工作，這是很危險(xiǎn)的。但是也有要求I／O電壓先上電，內(nèi)核電壓后上電，如TMS320F2812。

在設(shè)計(jì)不同DSP芯片的電源系統(tǒng)時(shí)，要根據(jù)其不同的電源特點(diǎn)，否則可能造成整個(gè)電源系統(tǒng)的損壞。

2 TPS62290芯片介紹

2．1 芯片特點(diǎn)

TPS62290是TI公司最新推出的高效率同步降壓DC／DC轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用于手機(jī)、掌上電腦、便攜式媒體播放器以及低功耗DSP電源設(shè)計(jì)中，其主要有以下特點(diǎn)：

輸出電流高達(dá)1000mA

輸入電壓范圍為2．3～6V

固定工作頻率為2．25MHz

輸出電壓誤差范圍為一1．5％～1．5％

輕載下采用節(jié)能模式

靜態(tài)電流約15μA

最大占空比為100％

芯片采用2×2×0．8mm SON封裝

圖1是TPS62290封裝圖，各引腳功能如表l所示。

2．2 工作原理

TPS62290降壓調(diào)整器有兩種工作模式：PWM模式和節(jié)能模式。當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，工作于PWM模式，當(dāng)負(fù)載電流減小時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)入節(jié)能模式以減小系統(tǒng)功耗。

在PWM模式下，TPS62290使用獨(dú)特的快速響應(yīng)電壓控制器將輸入電壓供給負(fù)載，在每個(gè)周期的開始觸發(fā)高壓MOSFET開關(guān)管，電流從輸入電容經(jīng)過(guò)高壓MOSFET開關(guān)和電感流向輸出電容和負(fù)載。這一階段，電流逐漸上升，當(dāng)上升到PWM的極限電流時(shí)觸發(fā)比較器，關(guān)閉高壓MOSFET開關(guān)管。當(dāng)高壓MOSFET開關(guān)管的電流過(guò)大時(shí)也會(huì)觸發(fā)電流極限比較器將其關(guān)閉。經(jīng)過(guò)一段死區(qū)時(shí)間，低壓MOSFET整流器工作，電感電流逐漸降低，電流從電感流向輸出電容和負(fù)載，通過(guò)低壓MOSFET整流器再流回電感中。在下個(gè)周期開始時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)又關(guān)閉低壓MOSFET整流器并且打開高壓MOSFET開關(guān)管，如此循環(huán)往復(fù)。

當(dāng)MODE引腳置為低電平時(shí)，TPS62290工作于節(jié)能模式。當(dāng)負(fù)載電流減小時(shí)，也會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入節(jié)能模式。當(dāng)工作于節(jié)能模式時(shí)，其工作頻率會(huì)降低，負(fù)載電流接近靜態(tài)電流，輸出電壓會(huì)比正常工作的輸出電壓高大約1％。此時(shí)，輸出電壓會(huì)受到PFM比較器的監(jiān)視，一旦輸出電壓降低，器件發(fā)出一個(gè)PFM電流脈沖，觸發(fā)高壓MOSFET開關(guān)管，使電感電流上升。當(dāng)定時(shí)結(jié)束時(shí)，高壓MOSFET開關(guān)管關(guān)閉，低壓MOSFET開關(guān)管工作，直到電感電流為零。

TPS62290有效地將電流傳遞給輸出電容和負(fù)載。如果負(fù)載電流降低，則輸出電壓會(huì)上升，如果輸出電壓等于或是高于PFM比較器的極限電壓，芯片將停止工作進(jìn)入睡眠模式，此時(shí)電流約為15μA，整個(gè)電源系統(tǒng)的功耗達(dá)到最低。

2．3 可調(diào)輸出電壓原理

TPS62290的電壓輸出范圍為0．6V～Uin(Uin為輸入電壓)，通過(guò)外接一個(gè)電阻取樣網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)整。其連接方法如圖2所示。

可調(diào)輸出電壓可由下式計(jì)算得到：

其中Uref=0．6V(內(nèi)部基準(zhǔn)電壓)，為了減小反饋網(wǎng)絡(luò)的電流，R2的值為l80kΩ或是360kΩ，R1與R2的和不能超過(guò)lMΩ，以抑制噪聲。外部反饋電容C1必須具有良好的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性，其取值范圍為22～33pF。電感L的取值為1．5～4．7μH，輸出電容的取值范圍4．7～22μF。在PCB布線時(shí)，連接FB引腳的線路要遠(yuǎn)離噪聲源，以減少干擾。

2．4 輸出濾波器設(shè)計(jì)

TPS62290外接電感的取值范圍為1．5～4．7μH，輸出電容的取值范圍為4．7～22μF，最優(yōu)工作狀態(tài)下，電感為2．2μH，輸出電容取10μF。不同的工作狀態(tài)，電感和電容的最佳取值不同。為了工作穩(wěn)定，電感取值不得低于1μH，輸出電容不得低于3．5μF。

(1)電感的選擇

電感的取值直接影響到浪涌電流的大小。電感的選擇主要依據(jù)是DC阻抗和飽和電流。電感的浪涌電流隨著感應(yīng)系數(shù)的增加而減小，隨著輸入和輸出電壓的增加而增加。在PFM模式下，電感也會(huì)影響到輸出電壓的波動(dòng)。電感取值大，輸出電壓波紋小，PFM頻率高，電感取值小，輸出電壓波紋大，PFM頻率低。

可以根據(jù)下式確定電感的大?。?/P>

其中f-開關(guān)頻率(2．25MHz)、L一電感值、 AIL一波峰電流、ILmax一最大電感電流實(shí)際中常用的方法是：將TPS62290的最大開關(guān)電流作為電感電流額定值，帶入上式，算出電感大小。

(2)輸出電容的選擇

TPS6229X系列芯片的輸出電容推薦使用陶瓷電容，因?yàn)榈虴SR的陶瓷電容可以抑制輸出電壓波紋，電介質(zhì)選用X7R或X5R。在高頻情況下，若采用Y5V和Z5U電介質(zhì)的電容，其電容值隨溫度的變化而變化，不宜采用。

在額定負(fù)載電流下，TPS62290工作在PWM模式下，RMS電流計(jì)算如下：　

在輕載電流下，調(diào)整器工作于節(jié)能模式，輸出電壓峰值取決于輸出電容和電感的大小，大容量的電容和電感可以減小輸出電壓峰值，以平滑輸出電壓。

3 電路設(shè)計(jì)

DSP雙電源解決方案如圖3所示。關(guān)于此電路的幾點(diǎn)說(shuō)明：

1)電壓輸入端接電容值為10μF的陶瓷電容(C1、C2)，減小輸入電壓的波動(dòng)。

2)電壓輸出端接陶瓷電容(C5、C6、C7、C8)，其電容值的選取參見本文2．4節(jié)。

3)U1的使能端接+5V高電平，上電輸出1．8V電壓，供給DSP內(nèi)核。

4)U2的使能端接1．8V電壓，當(dāng)Ul輸出1．8V電壓時(shí)使能U2輸出3．3V電壓，供給DSP的I／O，這樣就實(shí)現(xiàn)了核電壓先上電，I／O電壓后上電。

5)1．8V和3．3V數(shù)字電壓分別通過(guò)鐵氧體磁珠L(zhǎng)3、L4進(jìn)行濾波，從而輸出1．8V和3．3V的模擬電壓。

6)電阻R1、R2、R3、R4、C3、C4的取值參加本文2．3節(jié)。

7)電感L1、L2的取值參加本文2．4節(jié)。

8)MODE引腳接地，芯片工作于節(jié)能模式，功耗降低。

4 結(jié)論

DSP復(fù)雜的電源系統(tǒng)對(duì)供電要求越