基于TPS759XX多片信號處理系統(tǒng)的電源設計

1 引言

在大型的通信信號處理系統(tǒng)和雷達信號處理系統(tǒng)中，隨著器件的規(guī)模不斷擴大，對電源的性能和功率及其外圍濾波電路的要求也越來越高，電源設計對于一個系統(tǒng)的能否正常工作起著至關重要的作用。

在實際應用中，通常利用線性電源或者開關電源給整個系統(tǒng)供電，而對于每一塊獨立的電路板上的每一個集成芯片則需要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，壓差是一個非常重要的性能，因為更低的壓差意味著更高的效率。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公司專門為DSP、ASIC和FPGA等多芯片系統(tǒng)供電而設計的LDO線性穩(wěn)壓器，圖1是電路簡化原理框圖。TPS759XX共有5個引腳，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)動的芯片。

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

(3)可快速響應線性電壓和負載電流的瞬態(tài)變化,在某些應用中，通常要求DSP、MPU、MCU和PLD必須迅速從省電的睡眠和待機狀態(tài)進入全工作模式。該系列LDO足以滿足上述應用的需要。

(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，而且與輸出負載無關。(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 信號處理系統(tǒng)的板級電源設計

設計中的信號處理系統(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，時鐘晶振及時鐘驅(qū)動和輸出驅(qū)動等。對于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表1，有至少兩種的電源要求。在選擇電壓調(diào)節(jié)器時一定要知道輸出電壓和最大負載電流，多芯片系統(tǒng)中，由于所需驅(qū)動電流較大，因此只有TPS759XX這類大電流輸出電壓調(diào)節(jié)器能滿足要求。對于具有5片DSP芯片的系統(tǒng)，當DSP滿負荷工作時的電流約為6.1A?？紤]信號處理系統(tǒng)所需，通過電壓調(diào)節(jié)器變壓得到的電壓應是2.5V和1.2V，總負載電流小于7.5A，一片TPS75901（或者TPS75925）就可以滿足需要。若總負載電流大于7.5A時要增加TPS759XX，否則將影響芯片的正常工作。



4 信號處理系統(tǒng)中TPS759XX應用配置考慮

4.1 對于輸出電壓可調(diào)節(jié)情況的電阻配置

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



圖2 TPS75901電壓調(diào)節(jié)器典型應用電路

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確定。R1的取值可由下面的式子計算而得：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，會引起輸入電壓下降，當降到一定程度，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 信號處理系統(tǒng)PCB板電源設計考慮

所有的集成電路都有一個最大允許的節(jié)點溫度，超過運行節(jié)點溫度，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)設計者必須考慮運行環(huán)境使運行節(jié)點溫度不超過最大運行節(jié)點溫度。通常情況下，線性調(diào)節(jié)器的最大功率可以通過以下的公式計算出來：

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）的后一項可以忽略。運行節(jié)點溫度等于環(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）項與封裝形式和散熱器有關。工作溫度TJ要限制在-40"+125℃范圍內(nèi)，因此散熱問題必須考慮。TPS759XX系列有兩種封裝形式。對于TO-220封裝形式，通過打孔和貼裝散熱片提供了一種有效的散熱方式；對于TO-263封裝形式，通過增大引腳的敷銅面積散熱效果好。一種通過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

在進行PCB板設計過程中，電源要單獨置于一層，電源層應采用電源分割的形式，每個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孔，且大面積敷銅。電源分割寬度和所置過孔的規(guī)格應根據(jù)電流的大小來確定，表2中所示是標準條件下，安全工作載流量對照表。



已知敷銅厚度的情況下，可以計算出對應電流的分割寬度或者孔徑及孔數(shù)目，根據(jù)計算結(jié)果分割和打過孔。例如，設敷銅厚度h=0.04mm，電流I=3A，計算分割寬度w。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，對應截面積應該是0.14mm2，則w=0.14/0.04=3.5mm，電源分割時的最小寬度應大于此值。

6 信號處理系統(tǒng)的供電系統(tǒng)實現(xiàn)

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



圖4 信號處理系統(tǒng)板級供電電源實現(xiàn)框圖



圖5 信號處理系統(tǒng)板級供電電源參考電路圖

對于多芯片系統(tǒng)，最好采用各個芯片分別供電的方式，第一級可以采用TPS75901或者TPS75925，電壓由3.3V降到2.5V，為了說明電阻配置方法，這里采用TPS75901，為了保證精度，用一個固定電阻R1和一個可變電阻RP1通過適當調(diào)節(jié)得到2.5V，根據(jù)前面所述計算方法，可變電阻應調(diào)節(jié)到61.479kΩ。第二級根據(jù)板上芯片的多少，配以對應數(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再通過不同的濾波網(wǎng)絡為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給出，PCB設計時每個電源引腳附近還要放置去耦電容。圖中供電系統(tǒng)的實現(xiàn)方法在實際應用中性能良好。