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DSP电源系统的低功耗设计

  自从美国TI公司推出通用可编程DSP芯片以来,DSP技术得到了突飞猛进的发展。DSP电源设计是DSP应用系统设计的一个重要组成部分,低功耗是DSP电源系统设计的发展方向。由于DSP一般在系统中要承担大量的实时数据计算,在CPU内部,频繁的部件转换会使系统功耗大大增加,降低DSP内部CPU供电的核电压是降低系统功耗的有效方法,因此TI公司的DSP大多采用低电压供电方式。
  从一定程度上说,选择什么样的DSP就决定系统处于什么样的功耗层次。在实际应用中,电源系统直接决定了DSP能否在高性能低功耗的情况下工作,因此,一个稳定而可靠的电源系统是至关重要的。
  TI公司最新推出的TPS6229X系列开关电源芯片有两种工作模式:PWM模式和节能模式。在额定负载电流下,芯片处于PWM模式,高效稳定的为DSP供电,当负载电流降低时,芯片自动转入节能模式,以减小系统功耗,适宜于DSP系统的低功耗设计,本文主要介绍了该芯片的特点,并给出了基于此芯片的DSP电源电路。

l DSP电源特点
  1.1 电源要求
    TI公司的DSP需要给CPU、FLASH、ADC及I/O等提供双电源供电,分别为1.8V或2.5V核电源和3.3V的I/O电源,每种电源又分为数字电源和模拟电源,即数字1.8V(2.5V)、模拟1.8V(2.5V),数字3.3V,模拟3.3V。相对与模拟电源和数字电源,也要求有模拟地和数字地。数字电源与模拟电源单独供电,数字地与模拟地分开,单点连接。
    DSP大多采用数字电源供电,可以通过数字电源来获得模拟电源,主要有两种方式: (1)数字电源与模拟电源、数字地与模拟地之间加电感或铁氧体磁珠构成无源滤波网络。铁氧体磁珠在低频时阻抗很低,在高频时很高,可以抑制高频干扰,从而消除数字电路的噪声。 (2)采用多路稳压器。方法(1)结构简单,能满足一般的应用要求,方法(2)有更好的去耦效果,但电路复杂成本高。

  1.2 供电次序
    TI公司DSP采用双电源供电,因此,需要考虑上电、掉电顺序。大部分DSP芯片要求内核电压先上电,I/O电压后上电。因为如果只有CPU内核获得供电,周边I/O没有供电,对芯片不会产生损害,只是没有输入输出能力而已;如果周边I/O获得供电而CPU内核没有加电,那么DSP缓冲驱动部分的三极管处于未知状态下工作,这是很危险的。但是也有要求I/O电压先上电,内核电压后上电,如TMS320F2812。
    在设计不同DSP芯片的电源系统时,要根据其不同的电源特点,否则可能造成整个电源系统的损坏。

2 TPS62290芯片介绍
  2.1 芯片特点
    TPS62290是TI公司最新推出的高效率同步降压DC/DC转换器,应用于手机、掌上电脑、便携式媒体播放器以及低功耗DSP电源设计中,其主要有以下特点:
      输出电流高达1000mA
      输入电压范围为2.3~6V
      固定工作频率为2.25MHz
      输出电压误差范围为一1.5%~1.5%
      轻载下采用节能模式
      静态电流约15μA
      最大占空比为100%
      芯片采用2×2×0.8mm SON封装

  2.2 工作原理
    TPS62290降压调整器有两种工作模式:PWM模式和节能模式。当负载电流增大时,工作于PWM模式,当负载电流减小时,自动转入节能模式以减小系统功耗。
    在PWM模式下,TPS62290使用独特的快速响应电压控制器将输入电压供给负载,在每个周期的开始触发高压MOSFET开关管,电流从输入电容经过高压MOSFET开关和电感流向输出电容和负载。这一阶段,电流逐渐上升,当上升到PWM的极限电流时触发比较器,关闭高压MOSFET开关管。当高压MOSFET开关管的电流过大时也会触发电流极限比较器将其关闭。经过一段死区时间,低压MOSFET整流器工作,电感电流逐渐降低,电流从电感流向输出电容和负载,通过低压MOSFET整流器再流回电感中。在下个周期开始时,时钟信号又关闭低压MOSFET整流器并且打开高压MOSFET开关管,如此循环往复。
    当MODE引脚置为低电平时,TPS62290工作于节能模式。当负载电流减小时,也会自动转入节能模式。当工作于节能模式时,其工作频率会降低,负载电流接近静态电流,输出电压会比正常工作的输出电压高大约1%。此时,输出电压会受到PFM比较器的监视,一旦输出电压降低,器件发出一个PFM电流脉冲,触发高压MOSFET开关管,使电感电流上升。当定时结束时,高压MOSFET开关管关闭,低压MOSFET开关管工作,直到电感电流为零。
    TPS62290有效地将电流传递给输出电容和负载。如果负载电流降低,则输出电压会上升,如果输出电压等于或是高于PFM比较器的极限电压,芯片将停止工作进入睡眠模式,此时电流约为15μA,整个电源系统的功耗达到最低。

  2.3 可调输出电压原理
    TPS62290的电压输出范围为0.6V~Uin(Uin为输入电压),通过外接一个电阻取样网络实现输出电压的调整。
    其中Uref=0.6V(内部基准电压),为了减小反馈网络的电流,R2的值为l80kΩ或是360kΩ,R1与R2的和不能超过lMΩ,以抑制噪声。外部反馈电容C1必须具有良好的负载瞬态响应特性,其取值范围为22~33pF。电感L的取值为1.5~4.7μH,输出电容的取值范围4.7~22μF。在PCB布线时,连接FB引脚的线路要远离噪声源,以减少干扰。

  2.4 输出滤波器设计
    TPS62290外接电感的取值范围为1.5~4.7μH,输出电容的取值范围为4.7~22μF,最优工作状态下,电感为2.2μH,输出电容取10μF。不同的工作状态,电感和电容的最佳取值不同。为了工作稳定,电感取值不得低于1μH,输出电容不得低于3.5μF。
    (1)电感的选择
      电感的取值直接影响到浪涌电流的大小。电感的选择主要依据是DC阻抗和饱和电流。电感的浪涌电流随着感应系数的增加而减小,随着输入和输出电压的增加而增加。在PFM模式下,电感也会影响到输出电压的波动。电感取值大,输出电压波纹小,PFM频率高,电感取值小,输出电压波纹大,PFM频率低。
    (2)输出电容的选择
      TPS6229X系列芯片的输出电容推荐使用陶瓷电容,因为低ESR的陶瓷电容可以抑制输出电压波纹,电介质选用X7R或X5R。在高频情况下,若采用Y5V和Z5U电介质的电容,其电容值随温度的变化而变化,不宜采用。
      在轻载电流下,调整器工作于节能模式,输出电压峰值取决于输出电容和电感的大小,大容量的电容和电感可以减小输出电压峰值,以平滑输出电压。

3 电路设计
  关于此电路的几点说明:
  1)电压输入端接电容值为10μF的陶瓷电容(C1、C2),减小输入电压的波动。
  2)电压输出端接陶瓷电容(C5、C6、C7、C8)。
  3)U1的使能端接+5V高电平,上电输出1.8V电压,供给DSP内核。
  4)U2的使能端接1.8V电压,当Ul输出1.8V电压时使能U2输出3.3V电压,供给DSP的I/O,这样就实现了核电压先上电,I/O电压后上电。
  5)1.8V和3.3V数字电压分别通过铁氧体磁珠L3、L4进行滤波,从而输出1.8V和3.3V的模拟电压。
  6)MODE引脚接地,芯片工作于节能模式,功耗降低。

4 结论
  DSP复杂的电源系统对供电要求越来越高,如何在保证DSP高性能稳定工作的条件下,降低DSP系统的功耗是一个需要解决的问题。本文介绍了TI公司最新推出的适合DSP低功耗电源系统设计的开关电源芯片,并设计了基于该芯片的双电源方案,满足DSP系统要求的上电顺序。

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