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标题: 适用于语音通信和数据通信的新型电源系统 [打印本页]

作者: admin 时间: 2015-4-28 19:50
标题: 适用于语音通信和数据通信的新型电源系统
如今新型广播设备系统向着融合多媒体，语音通信和数据通信的方向飞速发展。因此在设计该类新型系统(例如高清晰度视频交换系统与多功能视频格式转换器)时，除了要仔细挑选适当的信号路径芯片，也要选择合适的电源管理方案。毫无疑问，好的电源管理方案可以提高信号路径的性能。由于多媒体，语音通信和数据通信等广播视频提供了综合的信号路径应用解决方案而其产品具有先进性能，例如，在传送距离较长时，信号仍可保持清晰而功耗也较少，信号抖动较少，而且封装小巧，因此只占用很少的电路板面积。于是相应的对其数字电路应提供优化的电源方案就成为是专业视频广播设备系统的基础。
1 为数字电路提供优化的电源方案的理念
信号是整个广播视频应用的主要元素。当模拟信号转为数字信号时，必须确保整个信号转换过程准确无误。一般来说，数字音/视频信号都由DSP或专用SoC负责处理。此外，也可能用到FPGA、存储器及其他数字电路。
由于整个数据处理过程功耗很大，因此必须周密考虑选择数字供电电源。挑选产品时要考虑系统是否有DSP、FPGA、微处理器或存储器?是否带有散热管理IC以简化复杂电子系统的设计？系统设计按甚么性能进行优化等，然后再根据优化性能将决定采用何种方案。
为此，在优化的电源方案设计时要考虑五个因素：即效率、方案大小、易用性、性能及散热性。效率是应用同步开关稳压器与多输出稳压器；方案大小是指线性稳压器、开关电容器稳压器、高集成度开关稳压器及多输出稳压器；而易用性是指线性稳压器、SIMPLESWITCHER与高集成度开关稳压器；性能是指大电流控制器、高集成度开关稳压器与多输出稳压器；散热性是指散热管理IC。
其效率、方案大小、易用性、性能及散热性五个因素中重要的是系统规定的技术参数，它们分别是输入电压与最大输出电流及输出通道。而输入电压应有VIN<7V与7VIN<25V及VIN<25V等三个指标；而最大输出电流应有<1A与<3A及>10A等三个指标；而输出通道应有单输出与多输出等二个指标。
2 为数字电路提供优化的电源芯片例举
2.1具有I2C兼容控制接口的高集成度电源管理器件(带双通道大电流降压稳压器及双通道线性稳压器)的LP3906型芯片.
主要特征：与高级应用处理器及FPGA芯片兼容,有两个LDO可为处理器内核及I/O口供电以及可独立控制芯片功能及设定的高速串行接口,其内部有高精度电压参考电路与过热保护及过电流保护技术,并可可利用软件设定参数. LP3906型芯片外形小尺寸5 x 4 x 0．8 mm LLP-24封装.
相关应用：可在FPGA及数字信号处理器核心的供电系统与应用处理器与外围设备I/O口等装置上供电。
2.2 宽输入电压范围的2A、500kHz双输出降压稳压器的LM26400Y型芯片
主要特征：输入电压范围与电流输出分别为3V至20V和两个2A输出，而输出电压可调低至0.6V，有内部补偿与内置启动二极管和500 kHz的PWM开关频率,可应用独立的使能引脚与独立的软启动引脚,独特的频率回折防护功能,是75 mΩ的NMOS开关。同样具有过电流保护与过热停机功能，为有eTSSOP-16及LLPl6两种封装。图1为由LM26400Y型芯片引脚功能与应用连接的电源示意图。

图1为由LM26400Y型芯片引脚功能与应用连接的电源示意图
相关应用：可在DTV—LCD、机顶盒、XDSL终端与汽车电子、电脑外围设备、工业控制及负载点等装置上供电。
3 散热管理IC简化了当今要求复杂电子系统的设计、制造和维护
在当今日益复杂的许多电子系统中，通过分布于整个系统的许多分立传感器来监测和控制温度、电压和风扇转速,从而不利于对系统设计、制造和维护。
ADT7462是一种灵活的系统监测IC，适用于多种应用。它能够监测温度和电压，控制设备风扇转速，并且它带有数字引脚、报警输入和输出，采用32引脚LFCSP小型封装提供上述全部功能。
除了监测环境温度，该芯片还能监测三个远程位置的温度。使用这种温度信息，ADT7462可以监测四台风扇以控制和调节温度。增强的声学特性和动态TMIN特性为声音敏感的应用保证风扇非常安静地运转。该芯片可以监测多达8台风扇的转速，当风扇停机或转速下降到预置转速下限时提供报警输出指示。
ADT7462还集成了其它一些功能以简化设计，无需折衷电池功耗。它能够监测多达13路电压，包括一个专用VBATT输入以监测纽扣电池，而无需耗费电池本身的电能。外壳干扰输入可以用来监测系统外壳是否受到干扰，甚至关机系统。
主要特征：
1个本地和3个远端温度通道,有远端通道串联电阻补偿及多达4个PWM风扇驱动输出，可支持高频和低频PWM输出,又有多达8通道TACH输入与自动风扇转速控制环路,可监测3线和4线风扇的转速与监测多达13个电压输入及监测多达7个电压识别码(VID) 输入,并包括动态TMIN控制与外壳干扰检测,可双向复位。工作电压为3．3 V和5 V, 扩展温度范围为-40℃一十125℃.尤其独特的是它与SMBus 1.1和SMBus 1.0总线兼容。图2为ADT7462引脚功能与外部装置连接电源功能示意图。

图2为ADT7462引脚功能与外部装置连接电源功能示意图
应用：可在服务器和个人计算机、医学图像处理和诊断设备、通信设备及测试设备和测量仪器上使用。
4 LM26400Y稳压器为多重电轨系统供电应用举例
现今典型的电子系统均设有多条直流电压轨由负载点稳压器来供电。供应这些稳压器的输入电轨可以是交流电适配器、中间总线、电池又或是一个USB电源轨。通常，最好是能找到一个电源解决方案能够处理相对比较宽阔的输入范围，有一定的集成度和简单易用。LM26400Y双重降压开关稳压器便是针对这种应用而设计。它不单拥有3V至20V的宽阔输入电压范围，并且具备90％的保证最高工作周期，因此能够处理各式各样的降压转换工作。LM26400Y器件内部综合有一个功率场效应管和一个内部环路补偿，其两种封装TSSOP和LLP均提供有一个外露垫，能够让热量从电路片散发出去电路板。
4.1可提高灵活性的功能特色
图3是LM26400Y稳压器的简化方块图，该器件特设有独立的软起动启动脚和内部的自举二极管。稳压器的时序可由在不同的速率下触发软起动接脚而控制。对于一些没有自举偏置的系统，器件中的集成式自举二极管则可简化设计。两条通道之间的切换频率均同样是500 KHz，但相位差为180度，以便削减输入电容内的交流电流。

图3 LM26400Y稳压器的简化图

4.2 FPGA的上电
LM26400Y会在4.75V至13.2V的输入电压范围下供电给FPGA。图3中的例子采用了一个以FPGA为基的子系统，其在芯片内拥有六个需要受电的功能：电源VCCINT,功能-芯流核，电压为1.2V；电源VCCAUX，功能-辅助，电压为2.5V；电源VCC0 0-3,功能为4 I/0Banks0-3，电压为1.2V/1.5/1.8/2.5/3.3V。
为了有效地配合不同的缓冲器标准来进行介接，器件中的四个I/O组能够在五个不同的电压级下工作。
假如要为FPGA设计一个合适的电源方案，那必须了解多一点关于应用的信息。芯片上六个功能所要求的功率可视乎利用比率的不同而产生剧烈的变化。
VCCAUX和VCCO 0属于同一个电压级并且可以共用一个稳压器。可是，在这个例子中，VCCO 0需要独立地上电以满足外围器件的上电顺序，因此一共有四条电压轨会被使用。
所有四条电轨都可个别地缓升，只要在0.2毫秒至50毫秒之内而且在单调的方式下，它们可一直升高直至达到其标称值为止。对于这个要求，唯一要考虑的是VCCINT。根据数据表中的信息，假如VCCINT排得比VCCAUX更早，那在VCCINT轨上便可能带有过剩电流(典型为366 mA)，并且会在VCCINT到达0.5V后在某处出现。
放置FPGA的电路板会被插入到两类系统，一种供应12V±10％的输入，而另一种则提供5V±5％的输入。FPGA稳压器需要处理由4.75V至13.2V的输入范围，由于在 12V输入下的功率损耗大得难以接收，故此在这里并不能采用线性方案。
根据以上的估计，再加上一点安全保证，那VCCINT和VCCO 0个别需要两个高至2A的开关器、VCCAUX则需要一个大约1A的开关器、以及一个大约1．5A的开关器会供VCCO 1、VCCO 2和VCCO 3使用。一个LM26400Y稳压器可用来产生VCCINT和VCCAUX，而另一个则可用来产生I/O。图4表示出VCCINT(1.2V)和VCCAUX(2.5V)电源的原理图。

图4表示出VCCINT(1.2V)和VCCAUX(2.5V)电源的原理图
从FPGA的起动特性可知。虽然两条通道共用一个15 nF的软起动电容器，但VCCAUX的上升会比VCCINT快一倍，原因是前者具有较大的分压比率。这样，电源设计人员便可避免之前所提及的数百毫安过剩电流。至于另外的两条FPGA电轨，VCCO 0(2．5)的电路采用与VCCAUX一样的设计，而VCCO1/2/3(3．3V) 电路的情况亦都一样，除了上层的回馈电阻器之外。VCCO 电路的启动接脚没有被连到输入电压，是因为外围器件的潜在顺序要求。
两个独立的ON信号会由系统所产生，它们会独立地启动VCCO电路。此外，它们都同时拥有独立的软起动电容器，每个的电容值都是15 nF。
5 可满足处理器内核电压要求的新型PTH系列电源模块技术
当今的高性能处理器对于电源都有很严格的要求。一般来说，电源需要至少两个电压。一个电压用于满足处理器内核电压要求，即VCORE，而其它电压则用于满足输入输出电压要求，即VIO。
内核电压要求介于O.9V—1.3V之间，且通常取决于具体的处理器性能标准。最新的内核电源电压容差通常为±3％。大瞬态电流的出现使得推出可靠的处理器电源这一任务更具挑战性。
为解决这些难题，己采用插入式快速瞬态响应电源模块系列，这些高性能产品设计旨在提供结构紧凑、低成本且稳定可靠的处理器内核电源。
*对THS320TCl648x数字信号处理器提供优化的电源
新型TMS320TCl648数字信号处理器是一个很好的高性能处理器范例。但该数字信号处理器的电源在电压容差、噪声以及瞬态方面有要求。如上述TMS320TCl648x DSP的要求：内核电压(VcoRE)=1V；VcoRE 容差为3％(DC容差为1.5％，交流瞬态为1.5％)；最大瞬态电流=5A；瞬态的最大峰值电压偏差= VcoRE。
由于存在大的瞬态电流，利用传统的解决方案几乎不可能满足±3％容差以及1V内核电压的要求。通常需要一款定制的电源模块或采用专用控制设计的完全分立的解决方案。
*新型PTH系列电源模块应用
新型PTH系列插入式电源模块(属第二代)包括非隔离式负载点电源模块系列(如PTH04T230W型)与超高速瞬态响应模块系列(如PTH04T230F),它们具有一种称为TurboTrans的新型特性。该TI的TurboTrans技术可以帮助设计人员按客户具体要求来完成电源模块的控制设计，以满足目标电压偏差规范。这些PTH系列的产品具有如下三个主要优势。
输出电容降低高达8倍。更少的电容可以节省成本及PCB空间。在高负载瞬态应用中，这两方面的节省可与模块本身的成本相当。
更快速的负载瞬态响应。对于输出电容的一个给定值而言，设计人员可看到在一个负载瞬变之后输出电压峰值偏差会减少高达50％。
提高超低ESR电容器的稳定性。可放心地采用最新的Oscon电容、聚合物钽电容或所有陶瓷输出电容，而不用担心稳定性的问题。
作为第二代PTH产品的一部分，这些产品设计旨在满足高速处理器(如TMS320TCl648x系列)颇具挑战性的电源要求。其控制设计得到了充分补偿，超过了标准T2模块的补偿。从而实现了在瞬态响应方面的更多改进，并因减少了输出电容而降低了成本。

作者: 李小路 时间: 2020-10-4 12:12
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