关于DSP应用电源系统的低功耗设计研究

      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。

　　1 DSP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。

　　1．2 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。

　　2 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15μA
 
      最大占空比为100％
 
      芯片采用2×2×0．8mm SON封装 

     2．2 工作原理

　　TPS62290降压调整器有两种工作模式：PWM模式和节能模式。当负载电流增大时，工作于PWM模式，当负载电流减小时，自动转入节能模式以减小系统功耗。

　　在PWM模式下，TPS62290使用独特的快速响应电压控制器将输入电压供给负载，在每个周期的开始触发高压MOSFET开关管，电流从输入电容经过高压MOSFET开关和电感流向输出电容和负载。这一阶段，电流逐渐上升，当上升到PWM的极限电流时触发比较器，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引脚置为低电平时，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15μA，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。
 

　　 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l80kΩ或是360kΩ，R1与R2的和不能超过lMΩ，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1．5～4．7μH，输出电容的取值范围4．7～22μF。在PCB布线时，连接FB引脚的线路要远离噪声源，以减少干扰。

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      2．4 输出滤波器设计

　　TPS62290外接电感的取值范围为1．5～4．7μH，输出电容的取值范围为4．7～22μF，最优工作状态下，电感为2．2μH，输出电容取10μF。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1μH，输出电容不得低于3．5μF。

　　(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一波峰电流、ILmax一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：

　　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10μF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Ul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)MODE引脚接地，芯片工作于节能模式，功耗降低。

　　4 结论

　　DSP复杂的电源系统对供电要求越来越高，如何在保证DSP高性能稳定工作的条件下，降低DSP系统的功耗是一个需要解决的问题。本文介绍了TI公司最新推出的适合DSP低功耗电源系统设计的开关电源芯片，并设计了基于该芯片的双电源方案，满足DSP系统要求的上电顺序。