基于電源監控芯片的DSP圖像處理系統設計

　 電源在所設計系統的設備中可以說(shuō)是最簡(jiǎn)單的器件，但卻必須放在整機設計的最后考慮。為了保證整機的可靠運轉，對供電系統的要求越來(lái)越高。

　　在高速電路板中，例如視頻處理卡，由于電路的高頻特性，開(kāi)關(guān)的電磁輻射和線(xiàn)路噪音都會(huì )干擾到達電路器件電壓，即器件的實(shí)際工作電壓。而現今的低電壓、低功耗、高性能的芯片，如DSP芯片等對工作電壓的要求非常高，一般都要求電壓偏差不超過(guò)5%，若芯片的供電電壓為3.3V，即電壓偏差不能超過(guò)0.165V。否則，一旦工作電壓超出這個(gè)范圍，長(cháng)時(shí)間工作容易縮短壽命甚至于燒毀。因此，在電路中需要通過(guò)電壓監控電路來(lái)實(shí)現對電壓的實(shí)時(shí)監控，以期電源能夠為芯片提供合格而穩定的電壓。

　　TI公司TPS330X系列電源監控芯片　

　　TI已連續四年成為全球模擬半導體市場(chǎng)的領(lǐng)導者，在電源管理產(chǎn)品及接口方面保持著(zhù)領(lǐng)先的地位。TI(德州儀器公司)在很早以前就發(fā)明了供應電壓監控器(Supply-Voltage Supervisor，SVSs)，并新近開(kāi)發(fā)出TPS330x系列產(chǎn)品，這些產(chǎn)品結合了芯片內集成、省電結構設計和新的低電壓選項，主要用于多種電壓電路中系統芯片的供電電壓監控，為用戶(hù)提供高品質(zhì)的電壓。

　　作為T(mén)PS33X-XX系列的代表，TPS3307-33D具有以下優(yōu)良特性：

　　(1) 主要用于多電壓處理器體系，可以為DSP等芯片提供三通道監控電路;

　　(2) 200ms固定延時(shí)的上電復位發(fā)生器，無(wú)需外部擴展電容;

　　(3) 電壓溫度補償;

　　(4) 可提供2~6V的大范圍電壓;

　　(5) 可穩定工作在-40°C to 85°C。

　　TPS3307-33D可監視兩種獨立電壓，并且還可以控制另外一種電壓，這種電壓可以獨立調整并內在與復位邏輯電路相連。其芯片管腳如圖1所示。

圖1 TPS3307管腳圖

　　其中，SENSE 1，SENSE 2，SENSE3分別用于監控第一、第二、第三種電壓;/MR即Manual Reset，可連接一個(gè)外部復位觸發(fā)設備來(lái)實(shí)現電路人工復位;/RESER輸出低電平有效復位信號;RESET輸出高電平有效復位信號。其內部電路模塊圖表示如下圖2所示。

圖2 TPS3307芯片內部模塊圖

　　從圖中可以看出，電壓監控有內置晶振，核心部分非常穩定，并且具有溫度補償參考電壓體系。第一、第二監控電壓被內部電阻反壓后與比較器的參考電壓進(jìn)行比較。SENSE 3管腳的輸入電壓直接與1.25V參考電壓進(jìn)行比較?；赥PS3307的一種典型的電壓監控應用可以用圖3的模塊圖表示。該電路可以同時(shí)監控2.5V、3.3V和5V三種電壓。

　　如果SENSE 3的輸入電壓為2.5V，經(jīng)內置分壓電阻分壓后，通過(guò)計算門(mén)檻電壓VIT-可以得知，SENSE 3可以很好的監控2.5V電壓。具體計算過(guò)程為：　

　　這個(gè)值非常適合用于2.5V電源供電。

圖3 TPS3307應用方案

　　該方案中的μC代表TMS320C6211、MSP430C325等微處理器。

　　TPS3307-33D在DSP圖像處理系統中的應用

　　本系統是采用TI TMS320C6211芯片處理通過(guò)攝像頭拍攝并經(jīng)過(guò)A/D轉換后的圖像。DSP對圖像進(jìn)行壓縮后，由DSP的HPI口通過(guò)TI的PCI2040芯片上傳到上位機主板上，與上位機的PCI總線(xiàn)進(jìn)行通信。系統設計中關(guān)鍵是視頻處理卡的設計，由于市場(chǎng)上能夠買(mǎi)到的視頻卡一般功能都有限，不能滿(mǎn)足本項目的需求，故自行設計一塊視頻卡。

　　在視頻卡設計中，電源模塊設計非常關(guān)鍵，它直接影響著(zhù)視頻卡的最后實(shí)現和穩定運行。電源設計包括兩個(gè)部分：供電系統和電源檢測及上電復位系統。對供電系統來(lái)說(shuō)，為滿(mǎn)足系統需要，必須能夠提供四種電源電壓，分別為-+5V、-5V、+3.3V和+1.8V。+5V電源由外部提供，而其它供電電壓需要自行設計。在選擇5V-3.3V DC-DC電壓泵時(shí)，考慮電流大小為：TMS320C6211的130mA、SAA7111A的150mA、EPM7128S的300mA、AM29LV800B的30mA、IDT72V215的2×60mA、MT48LC4M16A2的2×230mA，電流共需在1.2A左右，加上其它的一些電壓轉換芯片和接口芯片，考慮1.5A的供電電流。即供電電流必須大于1.5A。在選擇5V-1.8V DC-DC電壓泵為DSP供電時(shí)，供電電流要大于830mA。

　　該系統中的電源檢測及上電復位電路，是為保證系統在供電未達工作電壓前，各器件不會(huì )處于不受控制的狀態(tài)而設計的。該電路可

　　以保證這些器件在系統加電的過(guò)程中，始終處于復位狀態(tài)，直到各供電電壓達到正常工作電壓。另外當電平下降到門(mén)限值以下的時(shí)候，會(huì )強制芯片進(jìn)入復位狀態(tài)。

　　本監控系統采用一片TI的TPS3307-33D作為電源檢測IC。該器件定義在其供電VDD>1.1V時(shí)其/Reset即可輸出有效的信號。如圖4所示，在本系統中，該電路可以完成對5V、3.3V和1.8V三種供電電壓的監測，并可以對系統的三種器件(C6211、EPLD和AT89C2051)同時(shí)進(jìn)行上電復位和手工復位。

圖4 TPS3307電源監控電路

　　其中+3.3V是TMS320C6211的I/O接口所需的電壓，這是DSP外圍接口電壓，必須能夠保持穩定、持續供電。其外接的SDRAM和FLASH ROM都是3.3V器件，若電壓不穩，這些器件無(wú)法穩定工作，容易導致?lián)p耗甚至燒毀這些器件。

　　+1.8V供電是為了滿(mǎn)足TMS320C6211的CPU核心工作電壓需要。對于TMS320C6211來(lái)說(shuō)，其工作頻率為150MHz，對電壓的變化非常敏感。電壓過(guò)高會(huì )使器件損傷，電壓過(guò)低芯片會(huì )自動(dòng)復位。

　　應用心得

　　通過(guò)用TPS3307芯片進(jìn)行電壓監控設計，不僅了解了部分TI模擬器件，而且還從中發(fā)覺(jué)高速電路板設計中電源設計及監控的重要性。這些重要性主要體現在以下幾個(gè)問(wèn)題里面。

　　(1)電源熱處理

　　熱處理對任何系統都是一大難題。電源系統在工作過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生很大的熱量。當系統未提供空氣對流或環(huán)境溫度較高時(shí)，散熱器是必需的。風(fēng)扇提供的氣流能簡(jiǎn)化電源的設計，但增加了噪音，降低了可靠性。

　　本系統中由于主板上置有散熱風(fēng)扇，而且電源的功率不太大，故不單獨采用散熱器。

　　(2)EMI處理

　　電磁干擾是開(kāi)關(guān)電源和電源監控系統設計人員面臨的主要設計問(wèn)題。必須考慮各種噪聲：傳導、輻射、共模和差模噪聲。共模噪聲是系統噪聲最重要的來(lái)源，在DC-DC變換器中，共模噪聲是初級與次級間流通的電流引起的，它是主開(kāi)關(guān)器件和輸入-輸出耦合電容上電壓瞬變過(guò)程的函數。

　　由于開(kāi)關(guān)電源中通常包含有高頻信號，PCB上任何印制線(xiàn)都可以起到天線(xiàn)的作用，印制線(xiàn)的長(cháng)度和寬度會(huì )影響其阻抗和感抗，從而會(huì )影響到頻率響應。即使是通過(guò)直流信號的印制線(xiàn)也會(huì )從鄰近的印制線(xiàn)耦合到射頻信號并造成電路問(wèn)題，甚至再次輻射出干擾信號。

　　因此應將所有通過(guò)交流的印制線(xiàn)設計得盡可能的短而寬，這意味著(zhù)必須將所有連接到印制線(xiàn)和其他電源線(xiàn)的元件放置得很近。印制線(xiàn)的長(cháng)度與其表現出的電感量和阻抗成正比，而寬度則與印制線(xiàn)的電感量和阻抗成反比。長(cháng)度反映出印制線(xiàn)響應的波長(cháng)，長(cháng)度越長(cháng)，印制線(xiàn)能發(fā)送和接受的電磁波頻率越低，它就能輻射出更多的射頻能量。

　　(3)電壓的穩定性

　　高品質(zhì)的穩定的工作電壓(或電流)是高速芯片(如DSP芯片)長(cháng)期有效工作的基本保證。一般電源系統僅僅是在電源芯片上大做文章，采用高效率電源芯片，在要求不高的場(chǎng)合沒(méi)有引入電源監控系統。而在以高速芯片為核心的高速電路板上，影響供電電壓的因素繁多，既有器件上的原因，也有設計方案上的弊病;這些因素極大的改變了到達芯片的真實(shí)電壓，無(wú)法使芯片工作在額定的電壓，在條件惡劣的情況下甚至難以保證電壓的穩定供電。因此，在高速芯片電路板設計中，要求引入電壓監控體系，通過(guò)實(shí)時(shí)監控電壓變化并進(jìn)行調整來(lái)實(shí)現對高速芯片的高品質(zhì)電壓供電。在這方面，TI公司的TPS33xx系列芯片以其獨特的設計品質(zhì)在同行中得到廣泛認同。TPS3305、TPS3306能夠同時(shí)監控2路電壓，并具有溫度補償調整功能，而TPS3307性能更高，不但同時(shí)可監控2路電壓，還能自適應的調整第三路被監控電壓，芯片工作性能穩定，而且3通道技術(shù)使其使用效率非常高。

　　(4)高功率和故障容錯度的并聯(lián)技術(shù)

　　電源結構常常用多個(gè)電源或多個(gè)電源變換器來(lái)增加輸出功率，或提供故障容錯度。相同的獨立電源并聯(lián)工作是獲得高功率電源的既可靠又經(jīng)濟有效的方法。

　　(5)安全性

　　模塊化設計能夠獲得很好安全特性。電源系統輸入與輸出間電氣隔離是最基本的安全性要求。隔離型DC-DC變換器具有內部變壓器來(lái)提供必要的保護，從而簡(jiǎn)化了系統的設計。而非隔離型變換器需要一個(gè)外部變壓器。對給定的母線(xiàn)電壓，電壓越高，功率損耗就越低，且導體尺寸也越小。