基于DSP/FPGA高精度测量系统中多电源可靠性设计

由于高精度测量系统工作频率高，数据处理量大，功耗也相对较高，而供电系统的好坏直接影响到系统的稳定性和系统的精度，所以设计高效率、高可靠性的供电系统具有极其重要的现实意义。本文主要叙述了一个实际高精度测量系统的电源设计。

　　1 DSP和FPGA的电源要求

　　系统采用Altera公司的Cyclone系列EPIC12型号FPGA和TI公司的TMS320C6713B型号DSP均需要两种电源[1～2]：外围I/O电压为3.3V及内核电压分别为1.5V和1.2V。因此必须考虑它们的配合问题：(1)在加电过程中，要保证内核先得到供电，外围I/O后得到供电，内核最晚也应该与周边I/O接口电源同时加电。否则可能会导致DSP和FPGA的输出端出现大电流，这将大大影响器件的使用寿命，甚至损坏器件。(2)在关闭电源时，内核最晚也应当与周边I/O接口电源同时掉电，而且应该先关闭I/O接口电源，再关内核电源。本文主要利用TI公司的TPS5431×系列产品来产生1.2V、1.5V和3.3V电压[3]。

　　系统各个电源转换芯片统一由蓄电池供电。电源模块在用蓄电池加电时，其电压上升过程中与达到稳定状态前可能出现较严重的波动。而DSP和FPGA在上电过程中如果电压波动较大，加载可能失败并导致后续加载操作异常[4]。为了保证加载成功，不会产生不受控制的状态，所以在系统中加入了电压监控和复位电路，以确保DSP和FPGA芯片在系统加电过程中始终处于复位状态，直到电压达到所要求的电平。同时，一旦电源的电压降到阈值以下，强制芯片进入复位状态，确保系统稳定地工作。因为系统用6V蓄电池供电，所以电压不会超过6V，只需进行欠压监控[5]。

　　2 电源系统设计

　　系统中存在模拟电路和数字电路供电。本文重点介绍数字电路电源部分。

　　本设计采用TPS5431×系列电压转换芯片设计数字电源系统，分别产生DSP和PFGA的内核和外围电压以及+5V电压。TPS5431×系列是低电压输入、大电流输出的同步PWM Buck降压式电压转换器，其电路外围器件少，60mΩ的MOSFET开关管保证了在持续3A的输出电流时超过92%高效率；输出电压有0.9V、1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、3.3V可选，初始误差为1%；PWM频率范围从280～700kHz；通过峰值电流限制和热关断实现过载保护；加强散热型的PWP封装为芯片提供了更好的散热；综合解决了电路板面积和成本[3]。

　　2.1内核电压的产生

　　本部分主要是为TMS320C6713B和EPIC12设计内核供电系统，其内核电压分别为1.2V和1.5V，分别用TPS54312和TPS54313来产生,具体电路如图1、图2所示。为了满足供电顺序的要求，图1、图2中的PWRGD接到图3中的SS/ENA脚。

      

       

      参数的选取：芯片的开关频率设为700kHz，为此，需要保持FSEL脚开路并在RT脚和AGND脚之间串联71.5kΩ的电阻；输出滤波电感的取值范围在4.7~10μH之间，本文选用4.7μH的贴片电感；SS/ENA脚通过一个低容值电容接地，其功能为使能、输出延迟和电压上升延迟。其中延迟时间和电容值成正比，近似为：

                                                      
      式中: td为输出延迟时间(秒)；C(SS)为SS/ENA脚所接电容(F)；t(SS)为输出电压上升延迟时间(秒)。

　　本设计内核电压电路中，C(SS)=0.039μF，根据式(1)、式(2)可得td、t(SS)分别为9.36ms和5.46ms。

　　2.2 外围电压的产生及供电顺序的实现

　　利用TPS54316来产生3.3V的输出电压。外围器件参数的选取除SS/ENA脚处的电容外，其余与内核电压电路相同。外围I/O电压电路如图3所示. 

                                                        

      为了实现内核和周边I/O接口的电源供电顺序，本文采取调整SS/ENA脚处的电容值和利用TPS5431×中的PWRGD和SS/ENA信号来控制的方法。一方面，在外围电压电路中选取C(SS)=0.1μF，根据式(1)、式(2)得td、t(SS)分别为24ms和14ms。在加电时，内核比外围早加电约23ms。另一方面，即使电容被击穿，在加电起始，由于TPS54312和TPS54313输出为未达到阈值(正常值的95%)，PWRGD(信号)输出低电平，TPS54316处于关闭状态，直至内核电压稳定。这样就保证了内核先加电；在关闭电源时，由于TPS54312和TPS54313输出低于阈值，PWRGD信号输出低电平，关断TPS54316，保证了外围I/O先掉电，实验测得外围I/O早掉电10ms左右。由此可见，从两方面都满足了供电顺序的要求[6]。上电过程及掉电过程实验波形分别如图4、图5所示。 
                                                                               

      2.3 电压监控和复位电路

　　电压监控和复位电路采用TI公司的TPS3307-18D来实现。TPS3307-18D是一种微处理器电源监控芯片，其特点是可同时输出高电平有效和低电平有效的复位信号，可同时监控三个独立的电压：3.3V/1.8V/可调电压(其对应的门限值分别为2.93V/1.68V/1.25V)。由于系统中的DSP、FPGA和Flash存储器的复位信号都是低电平有效，所以用TPS3307-18D的信号来实现复位，用信号完成复位指示功能，对系统中的3.3V、1.5V和1.2V(放大到3.6V)三个电压进行监控。电压监控和复位电路如图6所示。 
                                                     

      只要其自身的供电电压在2V以上，并且被监控的三个电压中有一个低于其门限值时，就可以保证输出有效的RESET信号；当三个电压的值都高于门限值前，复位信号则一直有效。另外，芯片还有一个手动复位信号，通过复位按扭可以方便地进行手动复位。

　　实验测试结果表明，该电源系统能可靠地为本测量系统提供稳定的电源，并具有动态响应快(25ms)、功率大(最高可达18W)、转换效率高(达到93%)、输出电压波纹小(0.05V)及电压调整率好(0.1%)的特点。然而电源波动和上电顺序所造成的电路上电失败故障，只是涉及电源可靠性的一个方面，因此本文所举的实际应用例子可能并不适合于各种情况，其目的在于提醒设计人员在有关电源设计中可能存在的隐患，以供参考。