TMS320C6678 DSP的電源設計
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1 電源硬件電路設計與計算
1．1 系統總體方案設計
圖1是系統的組成框圖。采用統一的12 V電源進(jìn)行供電，DSP的內核電壓由一片UCD9244和兩片UCD7242組成；經(jīng)過(guò)TPS54620產(chǎn)生的3．3 V電源可以為其他的電源電路供電；大部分的模塊電源需要經(jīng)過(guò)濾波網(wǎng)絡(luò )的處理，這樣做可以降低電源的紋波、噪聲，同時(shí)也可以很好地解決PCB布板帶來(lái)的其他干擾問(wèn)題。
雖然DSP不要求內核電壓與IO之間有特殊的上電時(shí)序，但假如有某個(gè)模塊的電源處于錯誤狀態(tài)時(shí)，得保證整個(gè)系統的所有電源都不在工作，否則，會(huì )嚴重影響器件的使用壽命與可靠性。所以，在本設計中，上電時(shí)序為CVDD，VCC1V0，VCC1V8，VCC1V5，VCC0V75；其中CVDD與VCC1V0的上電時(shí)序通過(guò)對UCD9244芯片進(jìn)行編程實(shí)現，其他模塊的上電時(shí)序通過(guò)TPS3808系列芯片，前一級對后一級產(chǎn)生控制信號實(shí)現。掉電時(shí)序和上電時(shí)序完全相反，這樣可以防止大量的靜態(tài)電流和器件過(guò)壓情況發(fā)生。
任何DC／DC變換器在開(kāi)始設計時(shí)，工作頻率的選擇都是很關(guān)鍵的。它主要取決于3個(gè)因素：最大效率，最小尺寸和閉環(huán)帶寬。工作頻率高，通常效率就低，設計尺寸小。綜合考慮，在本設計中，選擇750 kHz。
在設計的最后，為關(guān)鍵的電源供電部分添加了信號指示燈，若上電正常則可以使LED亮，它在電路中的作用主要是為了方便調試，同時(shí)，在電路上電不正常的時(shí)候可以馬上發(fā)現哪個(gè)模塊出錯，從而可以很快地找到原因。
1．2 UCD9244控制電路
UCD9244芯片是數字PWM控制器，能同時(shí)控制4路輸出，開(kāi)關(guān)頻率達到2 MHz，采用PMBus v1．2標準。PMBus是電源管理總線(xiàn)，是從SMBus發(fā)展過(guò)來(lái)的，在數字通信總線(xiàn)上與電源轉換器進(jìn)行交流。圖2是UCD9244的控制電路圖，輸出電壓的調節主要有兩種方式，一種是通過(guò)VID接口，這種方式需要有DSP或者專(zhuān)用集成電路的控制，但本設計中本來(lái)就是作為DSP的電源，所以采用另一種調節方式——通過(guò)PMBus命令語(yǔ)句，對輸出電壓幅值進(jìn)行控制，這種方式也更為簡(jiǎn)單有效。為保證UCD9244整體工作，在工作電壓輸入端增加了旁路電容來(lái)減少電壓紋波，同時(shí)也對高溫、過(guò)流等異常情況增加了保護措施。
UCD7242是與UCD9244完全兼容的驅動(dòng)芯片，可以驅動(dòng)兩個(gè)獨立的電源，可以供應CVDD(內核電壓)與VCC1V0(SRIO、PCIE、SGMII和Hyperlink)。通過(guò)1片9244控制兩片7242來(lái)達到為兩片DSP6678供電的目的。UCD7242電路中電感值的選擇很關(guān)鍵，根據芯片內部結構，電感值的計算可以通過(guò)下面這個(gè)公式?jīng)Q定：
式中：VIN為輸入電壓，VOUT為輸出電壓，fs為工作頻率，D為占空比，△I為電感電流峰峰值。在本設計中，VIN=12 V，VOUT=1 V，D=1／12，fs=750 kHz，△I=10 A，可計算得電感，L≈0．122μH。
1．3 3.3 V輔助電源電路
在整體的系統中，有些芯片是需要3．3 V的工作電壓的，比如TPS73701，為DSP IO供電；TPS51200作為DDR3的參考電壓。圖3為采用TPS54620芯片作為電壓轉換芯片的電路，TPS54620的耐熱性能增強，功能齊全，支持高效率，集成了高側／低側MOSFETs，并且輸出電壓可以調節。在本設計中，用TPS54620產(chǎn)生了3．3 V和1．5 V的電壓。如圖3所示，輸出電壓為：
式中：R10、R11為分壓電阻，Vref為參考電壓，經(jīng)實(shí)驗設定R10=31．6 kΩ；R11=10 kΩ；Vref=0．8 V，可以得出輸出電壓VO=3．3 V。
1．4 時(shí)序控制電路
該時(shí)序控制電路主要是用來(lái)控制6678DSP的IO、DDR3參考電壓以及HyperLink、PCIE等上電時(shí)序的。以DVDD18先于DDR3_IO上電為例，電路原理圖如圖4所示，所用的芯片為T(mén)PS3808G18，只有DVDD18=1．8 V時(shí)，RESET才會(huì )輸出一個(gè)高電平，從而可以驅動(dòng)下一級電路，這樣就保證了時(shí)序要求，值得注意的是，延遲時(shí)間是可以控制的，通過(guò)控制CT引腳與地之間的電容值就可以實(shí)現，參考公式為：
CT(nF)=[tD(s)-0．5x10-3(s)]×175 (3)
式中tD為設置的延遲時(shí)間。
1．5 濾波網(wǎng)絡(luò )
在過(guò)去的DSP中，EMI濾波器(T型濾波器)用在那些易受噪聲影響的電源軌中，這些濾波器通常都是低通濾波器，這樣可以限制在每個(gè)相應電源供應的寄生耦合噪聲而不至于把直流分量濾除。其實(shí)，在設計PCB板的時(shí)候，很多與DSP相關(guān)的問(wèn)題都是由于不注意EMI濾波器導致的。文中設計的濾波網(wǎng)絡(luò )主要是由旁路電容串聯(lián)磁珠，然后加上去耦電容組成的，這樣的設計在實(shí)際使用中效果很好。
2 軟件控制
TI公司針對UCD92xx系列芯片專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了FusionDigital Power Designer軟件，因為UCD92xx系列電源控制器內部有專(zhuān)門(mén)的集成電路，同時(shí)還有Flash存儲器和一個(gè)串口，這樣通過(guò)該軟件就能方便地對UCD92xx芯片進(jìn)行配置、監視和管理，可以實(shí)現很多的功能，從而在很多方面能夠應用。因為UCD92xx系列芯片采用PMBus v1．2標準，所以對這類(lèi)芯片的操作必須使用PMBus命令語(yǔ)句，這款軟件的方便性就體現在為用戶(hù)在電腦上提供了很直觀(guān)的操作界面，而不用去管底層的PMBus命令語(yǔ)句，在操作界面中設置好了以后通過(guò)TI USB適配器下載到芯片中，從而實(shí)現相應的功能。同時(shí)，該軟件的另一個(gè)特色是幫助用戶(hù)創(chuàng )建電路原理圖，這樣在很大程度上可以減少開(kāi)發(fā)設計的工作量，系統的可靠性也得到了保證。
在本設計中，設計的電源為每一片DSP內核提供的電壓為1 V，時(shí)序延遲0．3 ms。如圖6為rail 1設置的參數界面，其中，電源軌(power rail)1和2是為第1片DSP服務(wù)的，電壓幅值均為1 V，rail 2比rail 1延遲0．4 ms。剩下的rail 3和rail 4是為第2片DSP服務(wù)的，其參數設置于第一片DSP完全相同，所以圖中只顯示了兩個(gè)rail，另外兩個(gè)與之重合。值得一提的是，UCD9244芯片的時(shí)序設置還可通過(guò)電壓跟蹤來(lái)實(shí)現，即后上電的電源軌可以跟蹤先上電的電源軌，這樣就自然滿(mǎn)足了時(shí)序的設置。在這里采用前一種方法的原因主要是在后續調試的時(shí)候可以通過(guò)示波器方便地觀(guān)察出波形的延遲是否和筆者的設計吻合。
另外設計中的電壓裕度也是符合要求的，因為DSP 6678本身允許內核電壓有5％的波動(dòng)。
軟件設計的整體步驟是先決定采用的芯片型號，然后確定電源軌的數量，根據特定的用電設備分配相位(功率級)，單相或者多相，接著(zhù)是設置電源的工作參數，工作參數有很多，關(guān)鍵的有電壓幅值，時(shí)序，還有一些過(guò)壓及高溫保護的參數，然后是利用軟件幫助設計電路原理圖，接著(zhù)看你設計的仿真結果，要結合時(shí)域與頻域的情況，如果不滿(mǎn)意再修改，滿(mǎn)意之后保存為工程文件，最后通過(guò)TI USB適配器下載到芯片中即可。
3 電源功能仿真結果
圖6是電源芯片UCD9244的仿真結果，可以看出4個(gè)電源軌的輸出值均為1 V，滿(mǎn)足DSP的CVDD和VCC1V0的設計指標，時(shí)序上對于同一片DSP，CVDD在VCC1V0之前上電，提前的時(shí)間為0．4 ms，掉電過(guò)程中，CVDD在VCC1V0之后掉電，延遲時(shí)間為0．4 ms。對于其余的供電電源其電壓幅值與上電時(shí)序在仿真的過(guò)程中也都符合要求。
4 結論
UCD9244芯片集成度很高，用它作為電源的控制芯片，效率高，電路簡(jiǎn)單，還能對小型化設計進(jìn)行優(yōu)化。FusionDigital Power Design er軟件使用方便，直觀(guān)效果好。經(jīng)過(guò)一系列的仿真表明該電源系統工作穩定，可靠性高，各方面參數均達到預期要求，可以很好地為T(mén)MS320C 6678 DSP供電。
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