面向TI公司C6000系列DSP的电源系统设计

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    摘　要：探讨为TI公司的C6000系列DSP提供一套完整的电源系统的设计方法。用电压调节器TPS5602产生DSP所需的电源电压，同时用电源监控电路TPS3307-33对电源进行监测。二者协调配合，可为DSP提供稳定可靠的电源。举了实际的例子进行说明。
　　关键词：电压调节器；电压监控器；数字信号处理器；应用
1引言
　　近年来,随着半导体IC制造技术的不断提高，数字信号处理器（DigitalSignalProcessor）的性能得到极大的改善，DSP在航空、航天、雷达、通信、家用电器等领域获得越来越广泛的应用。在许多制造DSP的公司中，TI公司享有很高的声誉并占有较大的市场份额，在这里，我们根据自己从事科研工作的实际经验给出一种适合TI公司C6000系列DSP的电源供给系统的设计方案，希望能对业界同行的工作有所帮助。
　　在整个DSP系统设计当中,电源系统的设计应该放在最后完成。因为只有当整个系统的其他部分已经确定,且器件的型号均已选好之后,才能获得所需的功率、电流、电压等的具体信息,从而决定电源系统应选取的器件,采用合适的方案来实现。
　　德州仪器公司生产的TMS320C6000 系列DSP需要外部提供两种电源，即CPU核电源及周边I/O接口电源。周边I/O的电压一般是3.3V,由于许多外部器件均采用3.3V电压,因而 DSP可与这些外部器件直接接口,不需附加其他电平转换器件。CPU核心电压随器件的不同而不同，比如C62X的电压有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的电压,这样，可以大大降低电路的功耗[1]，[2]。
　　根据C6000DSP所需电源的特点,就可以进行相应的电源系统设计。
2电路设计
2.1供电电路的设计
　　如果系统外部能够提供上述的两种电源, 就不再需要设计供电电路。一般情况下,外部不太可能恰好提供合适的电源电压。另外，一次提供多个电压一般也不是很方便。由于大部分数字系统工作在5V或 3.3V，因此，外部一次提供5V、3.3V或其他数值的电压是比较常见的情况。此时，需要将外部输入电压转化为所需的电压，采用电压调节器即可完成这种任务。




　　电压调节器可以采用TI公司的TPS56XX、TPS56100、TPS5602等电路[3]，我们的系统采用TPS5602。这款电路具有以下主要特点[4]：
　　1）较宽的输入电压范围：（4.5V～25V）。能满足多种系统的要求。
　　2）具有两个独立的输出电压通道，仅需一个电路就能提供DSP所需的两种电压，并可通过相关引脚设置两个电源的上电顺序。
　　3）两种输出电压值是可调的，从1.2V到接近输入电压。近年来，在各种实际应用中，要求的功耗越来越低，TI公司的DSP系列也顺应了这一趋势，各种低功耗电路相继出现，TPS5602的电压可调性为用户产品的升级换代提供了快捷的解决方案。
　　4）采用滞后控制以获得快速的瞬态响应（小于2μs，而一般的PWM变换器需100μs）。
　　5）高效率，低电源电流，低待机电流等。
　　典型电路设计如图1[5]所示。
　　两个可调输出电压值可用式（1）和式（2）来计算：
　　


式中，参考电压Vref=1.185V。
　　例如，欲使Vout1=1.9V，Vout2=3.3V，则可选择R3=1.2kΩ，R2=2kΩ；R4=1.2kΩ，R1=680Ω。
　　另外，可以通过引脚SOFTSTART1及引脚SOFTSTART2来设置核电压及I/O电压的启动顺序。具体操作为选择合适的软启动电容值以控制启动时间。在公式Csoft=2×tsoft中，Csoft为软启动电容（μF），tsoft为启动时间（s）。
2.2监控电路的设计
　　仅有供电电路的DSP供电系统是很不完善的，这是因为DSP对工作电压的要求十分严格，比如C6711要求电压偏差不超出±5％，否则，长期工作易对电路造成损害。有时，用一个简化的RC电路来完成使DSP复位时初始化的任务，如图2所示。



　　为了识别尖峰干扰，使复位引脚上的电压迅速地随VDD 下降而下降，电路中加入了一个二极管，只要VDD下降超过0.7V，电容器就可以迅速放电。但是，有时VDD一个很小的电压降就可能破坏存储器和内部寄存器中的内容而并不产生复位，从而造成软件的误动作，因此，在系统中加入电源监控电路对于保障系统长期稳定的运行是十分必要的[6]。
　　电源监控电路的工作机理是这样的：在系统上电过程中，监控电路的复位信号保持有效，从而使DSP及其他电路（如果已接在监控电路的复位输出引脚上）始终处于复位状态，不致产生不明的状态，一旦所监控的几种电压均已达到所规定的门限电压（Vit＋）之上，就会解除复位，DSP等就可正常工作；在工作过程中，如果任何一个监测引脚上的电压低于了门限值(Vit－)，监控电路会再次发出复位信号使系统复位。
　　TI公司提供了TPS3307-XX（18，25，33）系列电压监控电路，该系列电路可以同时监视三个独立的电压，其中两种是固定的，另一种是可调的。我们的系统采用TPS3307-33，其特点如下所述[7]。
　　1）两种固定电压分别是5V和3.3V，由于我们的系统外部提供5V电压，通过电压调节器产生DSP所需的3.3VI/O电压，因此，监控电路正好可以监控这两个基本不会改变的电压。不同型号DSP的核电压很可能发生变化，故将可调的引脚SENSE留给核电压，给以后产品的升级换代带来便利。
　　2）只要工作电压超过1.1V，电路就能发出有效的复位信号。
　　3）具有内部定时器，在复位之后即使所监控的电压超过门限值，仍需延迟200ms才能退出复位状态，这样，可以确保系统在复位期间能够完成初始化。由于具有内部定时器，不需外接电容器来完成这一功能。
　　4）具有手动复位引脚，可在需要时人工复位。这在调试时十分有用。
　　5）具有电压滞后功能，Vhys=Vit＋-Vit－。其作用是避免当电压受噪声干扰时，电路反复地切换到复位状态。
　　具体电路如图3所示。



　　Vadj是引脚SENSE3监测的可调电压，计算公式为
　　


　　各监控引脚的门限电压分别为：Vsense1=4.55V，Vsense2=2.93V，Vsense3=1.25V。因此，式(3)中的1.25V实际就是引脚SENSE3的门限值。只要电压低于此值，电路就会复位。所以，Vadj不能恰好取所要监控的电压值，而应稍稍低于此值。比如，正常情况下允许C6711-150的核电压最低为1.8V，故可以此值为Vadj。
　　选取电阻R1，和R2时，应注意以下两点：（1）容许偏差要小，比如小于1％，这样可提高监测精度；（2）两电阻值之和约为1ΜΩ，可确保低的电流消耗。
　　有了以上这些条件，就可以很容易地计算出所需的电阻值。例如Vadj=1.8V，可列出如下方程组：
　　


最后可取R2=680kΩ，R1=300kΩ。
　　TPS3307-33的电源电压可为2V～6V，电路中将其接至3.3V而非5V是有一定考虑的：电路的最低输出高电平电压为VDD-0.2V，其中VDD是接入的电源电压，如果接5V，则与DSP及其他3.3V的器件不匹配。
　　在VDD和GND之间接入100nF电容器的目的是为了防止由于内部基准电压不稳而造成复位时在VDD端产生振动。如果不用该电容，很可能复位输出的振荡。
　　最后一个值得探讨的问题是关于TPS3307 系列所监控的电压的可调节性。尽管在一般情况下TPS3307系列监控的电压有两种是固定的，但是，有时也可根据情况进行调节。TPS3307的内部结构如图4所示，对比图3，可以很清楚地看出，SENSE1和SENSE2只是将分压电阻用电路的内部电阻固定了，当直接监控外部电压时，只能为固定电压。但在特殊情况下，比如确实找不到合适的电路的时候，也可通过在引脚SENSE上外接合适电阻器的方法来调整其所监测的电压值，以解燃眉之急。TI公司给出了这些内阻值，如TPS3307-33的R1为870kΩ，R2为330kΩ,R3为573kΩ，R4为427kΩ。对此有兴趣的读者不妨自己试试。



3结论
　　通过供电电路和监控电路的协调配合，就可以为DSP系统提供有效的电源供给，使其长期稳定可靠地工作。虽然我们的系统采用的是C6711型DSP，本文所举实例也多是基于此类电路，但是，只要将相关的电子元件的参数适当修改，完全可以适合C6000系列其他型号产品的需要。
　　当然，在设计实际电源系统时，还需要考虑消除电磁干扰、散热处理等诸多因素，限于篇幅，不再一一赘述。
参考文献

[1]彭启琮，李玉柏，管庆.DSP技术的发展与应用[M].北京：高等教育出版社，2002.
[2]任丽香，马淑芬，李方慧.TMS320C6000系列DSP的原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2000.
[3]DSPPowerSolutions[Z].TIdatabook,1999.
[4]TPS5602DUAL,FAST,HIGHEFFICIENCYCONtrOLLERFORDSPPOWER[Z].TIdatabook:SLVS217,1999.
[5]BangS.Lee.UsingtheTPS5602forPoweringDSPs[R].ApplicationReportofTI:SLVA078A,2000.
[6]BerndKornmeier,DirkGehrke.TPS330xSupervisingDSPandProcessorApplications[R].ApplicationReportofTI:SLVA056A,2000.
[7]TPS3307-18,TPS3307-25,TPS3307-33trIPLEPROCESSORSUPERVISORS[Z].TIdatabook:SLVS199A,2002
         
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