面向TI公司C6000系列DSP的電源系統設計</title>
 
摘 要:
本文探討了為TI公司C6000系列DSP提供一套完整的電源系統的設計方法。用電壓調節器TPS5602產生DSP所需的電源電壓，同時用電源監控芯片TPS3307-33對電源進行監測。二者協調配合，可為DSP提供穩定可靠的電源供給。
關鍵詞:
電壓調節器，電壓監控器，C6000?DSP，TPS5602，TPS3307-33 

　　近年來，隨著芯片制造技術的不斷提高，數字信號處理器(DSP)的性能得到了極大的改善，DSP在航空、航天、雷達、通信，家用電器等領域獲得了越來越廣泛的應用。在諸多制造DSP器件的公司中，TI公司享有很高的聲譽并占有較大的市場份額。本文將根據在從事科研工作中的實際經驗給出一種適合于TI公司C6000系列DSP的電源供給系統的設計方案。
　　在整個DSP系統設計當中,?電源系統的設計應該放在最后完成。因為只有當整個系統的其他部分已經確定,?且器件型號均已選好之后,才能獲得所需的功率、電流、電壓大小等具體信息,從而決定電源系統所應選取的器件,并采用合適的方案來實現。
　　德州儀器公司TMS320C6000系列DSP器件所需電源的特點,?C6000DSP需要外部提供兩種電源:?CPU核電源以及周邊I/O接口電源。?周邊I/O的電壓一般是3.3V,由于許多外部器件均采用3.3V電壓,故而DSP可與這樣的外部器件直接接口,不需再附加其他電平轉換器件。?CPU核心電壓隨器件的不同而不同(比如C62X的電壓有2.5V,1.8V,1.5V等;?C64X有1.4V,1.2V;?C67X有1.9V,1.8V等),?但都小于I/O電壓,這樣可以大大降低芯片的功耗。
　　根據C6000DSP器件所需電源的特點,就可以進行相應的電源系統的設計了。



供電電路的設計

　　如果系統外部能夠提供上述兩種電壓，?供電電路就不再需要設計。由于大部分數字系統工作于5V或3.3V，外部一次提供一個5V、3.3V或其他數值的電壓是比較常見的情況。此時，就需要將外部輸入電壓轉化為所需的電壓，可采用電壓調節器來完成此任務。
　　電壓調節器可以采用TI公司提供的TPS56XX、TPS56100、TPS5602等芯片，?本文的系統就采用了TPS5602。這款芯片有以下主要特點：
　　(1)寬廣的輸入電壓范圍：4.5V－25V。該特性使之能適合多???種系統的要求。
　　(2)具有兩個獨立的輸出電壓通道，僅需一個器件就能解決DSP所需的兩種電壓的問題，并可通過相關的引腳設置兩個電源的上電順序。
　　(3)兩種輸出電壓值是可調的：從1.2V到接近于輸入電壓。
　　(4)采用滯后控制以獲得快速的瞬態響應(少于2 s，而一般的PWM變換器需100 s)。
　　(5)高效率，低電源電流，低待機電流等。一種典型的電路設計如圖1。<BR>　　兩個可調的輸出電壓值可通過以下公式來計算：
　　{V{out}{1}}=({1}+{{R}{3}}\over{{R}{2}}) {V{ref}}
　　{V{out}{2}}=({1}+{{R}{4}}\over{{R}{1}}) {V{ref}}
　　其中：參考電壓Vref為1.185V
　　由以上的公式，通過選取合適的電阻值，就可以獲得所需的電壓，舉例：
　　欲使Vout1=1.9V，Vout2=3.3V，則可以選擇R3=1.2k ，R2=2k ；R4=1.2k ，R1=680 。
　　另外，可以通過SOFTSTART1及SOFTSTART2引腳來設置核電壓及I/O電壓的啟動順序。具體操作為：選擇合適的軟啟動電容值以控制啟動時間。公式：Csoft=2 Tsoft??，其中Csoft為軟啟動電容( F)，Tsoft為啟動時間(s)。


圖1 用TPS5602產生DSP所需的核電壓及周邊電壓(略)
圖2 簡化的初始化電路(略)



監控電路的設計

　　僅有供電電路的DSP供電系統是很不完善的，這是因為DSP芯片對工作一時電壓的要求十分嚴格，比如C6711要求電壓偏差不超出 5％，否則長期工作易對芯片造成損害。有時可用一個簡化的RC電路來完成使DSP復位初始化的任務，如圖2。
　　為了能識別尖峰干擾，使復位引腳上的電壓迅速地隨VDD下降而下降，電路中加入了一個二極管，只要VDD下降超過0.7V，電容就可以迅速放電。但有時VDD上一個很小的壓降就可能破壞存儲器﹑及內部寄存器中的內容，卻并不產生復位?，從而造成軟件的誤動作。因此，在系統中加入電源監控電路對于保障系統長期穩定運行是十分必要的。
　　電源監控電路的工作機理：在系統上電過程中，監控芯片的復位信號保持有效，從而使DSP及其他芯片(如果已和在監控芯片復位輸出引腳相接)始終處于復位狀態，一旦所監控的幾種電壓均已達到所規定的門限電壓(Vit+)之上，就會解除復位，DSP等就可正常工作了。在工作過程中，如果任何一個監測引腳上的電壓低于門限值(Vit-)，監控芯片會再次發出復位信號使系統復位。

圖3 用TPS3307-33進行電源監控(略)

　　TI公司提供了TPS3307－XX(18，25，33)系列電壓監控芯片，該系列芯片可以同時監視三種獨立的電壓，其中兩種是固定的，另一種是可調的。本文系統采用了TPS3307－33，其特點如下：
　　(1)兩種固定電壓分別是5V，3.3V，由于本文系統外部提供了一個5V電壓，通過電壓調節器又產生出DSP所需的3.3V?I/O電壓，?監控芯片可以監控這兩個的電壓。不同型號?DSP的核電壓很可能發生變化，將可調的SENSE腳留給核電壓，可為以后產品的升級換代帶來便利。
　　(2)工作電壓超過1.1V以上，芯片就能發出有效的復位信號。
　　(3)具有內部定時器，復位之后即使所監控的電壓均已超過門限值，?仍需延遲200ms才能退出復位狀態，這樣可以確保系統在復位期?間能夠完成初始化。由于具有內部定時器，不需再外接電容來完成這一功能。
　　(4)具有手動復位引腳，可在需要時?人工復位。
　　(5)具有電壓滯后(hysteresis)功能，???Vhys=Vit+-Vit-。其作用是避免當電壓受噪聲干擾時，芯片反復地切換到復位狀態。
　　電路設計如圖3：
　　Vadj是SENSE3腳監測的可調電壓，計算方法：
　　{V{adj}}={{{R}{1}+{R}{2}}}\over{{R}{2}} {1.25}({V})
　　各監控引腳的門限電壓分別為：SENSE1??4.55V，SENSE2??2.93V，SENSE3??1.25V。因此，上式中的1.25實際就是SENSE3腳的門限值。電壓低于此值，電路就會復位。所以，Vadj不能恰好取所要監控的電壓值，而應稍稍低于此值。比如，C6711-150的核電壓正常情況下允許最低為1.8V，故可以此值為Vadj。
　　選取電阻R1，R2時，應注意以下兩點：(1)容許偏差要小，比如小于1％，這樣監測精度才高；(2)兩電阻值之和約為1 左右，以確保低的電流消耗。
　　有了以上這些條件，就可以很容易地計算出所需的電阻值。舉例：由上面的Vadj=1.8，可列出如下方程組：
　　{1.8}={{R}{1}+{R}{2}}\over{{R}{2}} {1.25}
　　{{R}{1}+{R}{2}}={1}
　　最后可取R2=680k ，R1=300k 。
　　TPS3307-33的電源電壓可為2－6V，電路中將其接至3.3V而非5V基于一定考慮：芯片的最低輸出高電平電壓為VDD-0.2?(V)，其中VDD是接入的電源電壓，如果接5V，則與DSP及其他3.3V的器件不匹配。
　　在VDD和GND之間加入100nF電容的目的是防止復位時在VDD端產生振動。如果不用該電容，很可能由于內部基準電壓不穩而造成復位輸出的振蕩。

圖4 TPS3307的內部結構(略)


　　最后一個值得探討的話題是關于TPS3307系列所監控電壓的可調節性問題。在一般情況下TPS3307系列監控的電壓有兩種是固定的，但它們有時也可根據情況進行調節。TPS3307內部原理如圖4所示，對比圖3，可以很清楚地看出，SENSE1和SENSE2只是將分壓電阻用芯片的內部電阻固定了，當直接監控外部電壓時，則只能為固定電壓。但在特殊情況下，比如確實找不到合適的芯片的時候，也可通過在SENSE引腳上外接合適電阻的方法來調整其所監測的電壓值，以解燃眉之急。TI公司給出了這些內阻值，如TPS3307-33的R1為870k ,?R2為330k ,?R3為573k ，R4為427k 。


結 論

    通過供電電路和監控電路的協調配合，就可以為DSP系統提供有效的電源供給，使其能長期穩定可靠地工作。雖然本文的系統采用的是C6711型DSP芯片，所舉實例也多是基于此型芯片，但只要將相關的電氣元件參數作適當的修改，完全可以選用C6000系列其他型號的芯片。