DSP电源系统的低功耗设计

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。IDSP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。.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。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15卩A最大占空比为100%芯片采用2X2X0.8mmSON封装图I是TPS62290封装图，各引脚功能如表I所示。SWMODEFBO,□113-\□3'111111111111111116匚P匚b匚tGNDVINEN图1TPS62290封装图表1 TPS62290引脚功能编号I/O功能描述SW10内接MOSFET开关管，外接电感MODE2I模式选择端FB3I电压输出反馈端，通过外接电阻输出可调电压EN4iI使能端，高电平有效VIN5PWR电压输入端GND6PWR接地端发比较器，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弓I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15H，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。其连接方法如图 2所示。图2 TPS62290电压输出连接图可调输出电压可由下式计算得到：R%严仏（1+才）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180kQ或是360kQ,R1与R2的和不能超过IMQ,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1.5〜4.7^H,输出电容的取值范围4.7〜22^F。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1.5〜4.7^H,输出电容的取值范围为4.7〜22^F,最优工作状态下，电感为2.2^H,输出电容取10^F。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1yH,输出电容不得低于3.5^Fo(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。可以根据下式确定电感的大小：其中f-开关频率(2.25MHz)、L一电感值、AIL—波峰电流、ILmax—最大电感电流实际中常用的方法是：将 TPS62290的最大开关电流作为电感电流额定值，带入上式，算出电感大小。(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。在额定负载电流下，TPS62290工作在PWM模式下，RMS电流计算如下：RMSCout"outL-RMSCout"outL-输出电压峰值取决于输出电容和电感的在轻载电流下，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DSP双电源解决方案如图3所示。关于此电路的几点说明：1） 电压输入端接电容值为10yF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），其电容值的选取参见本文 2.4节。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UI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） 电阻R1、R2、R3、R4、C3、C4的取值参加本文2.3节。7） 电感L1、L2的取值参加本文2.4节。8） MOD