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摘 要：探討為T(mén)I公司的C6000系列DSP提供一套完整的電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。用電壓調(diào)節(jié)器TPS5602產(chǎn)生DSP所需的電源電壓，同時(shí)用電源監(jiān)控電路TPS3307-33對(duì)電源進(jìn)行監(jiān)測(cè)。二者協(xié)調(diào)配合，可為DSP提供穩(wěn)定可靠的電源。舉了實(shí)際的例子進(jìn)行說(shuō)明。
關(guān)鍵詞：電壓調(diào)節(jié)器；電壓監(jiān)控器；數(shù)字信號(hào)處理器；應(yīng)用1引言
近年來(lái),隨著半導(dǎo)體IC制造技術(shù)的不斷提高，數(shù)字信號(hào)處理器（DigitalSignalProcessor）的性能得到極大的改善，DSP在航空、航天、雷達(dá)、通信、家用電器等領(lǐng)域獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在許多制造DSP的公司中，TI公司享有很高的聲譽(yù)并占有較大的市場(chǎng)份額，在這里，我們根據(jù)自己從事科研工作的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)給出一種適合TI公司C6000系列DSP的電源供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，希望能對(duì)業(yè)界同行的工作有所幫助。
在整個(gè)DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中,電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該放在最后完成。因?yàn)橹挥挟?dāng)整個(gè)系統(tǒng)的其他部分已經(jīng)確定,且器件的型號(hào)均已選好之后,才能獲得所需的功率、電流、電壓等的具體信息,從而決定電源系統(tǒng)應(yīng)選取的器件,采用合適的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。
德州儀器公司生產(chǎn)的TMS320C6000 系列DSP需要外部提供兩種電源，即CPU核電源及周邊I/O接口電源。周邊I/O的電壓一般是3.3V,由于許多外部器件均采用3.3V電壓,因而 DSP可與這些外部器件直接接口,不需附加其他電平轉(zhuǎn)換器件。CPU核心電壓隨器件的不同而不同，比如C62X的電壓有2.5V、1.8V、1.5V等; C64X有1.4V、1.2V;C67X有1.9V、1.8V等，但都小于I/O的電壓,這樣，可以大大降低電路的功耗[1]，[2]。
根據(jù)C6000DSP所需電源的特點(diǎn),就可以進(jìn)行相應(yīng)的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
2電路設(shè)計(jì)
2.1供電電路的設(shè)計(jì)
如果系統(tǒng)外部能夠提供上述的兩種電源, 就不再需要設(shè)計(jì)供電電路。一般情況下,外部不太可能恰好提供合適的電源電壓。另外，一次提供多個(gè)電壓一般也不是很方便。由于大部分?jǐn)?shù)字系統(tǒng)工作在5V或 3.3V，因此，外部一次提供5V、3.3V或其他數(shù)值的電壓是比較常見(jiàn)的情況。此時(shí)，需要將外部輸入電壓轉(zhuǎn)化為所需的電壓，采用電壓調(diào)節(jié)器即可完成這種任務(wù)。
電壓調(diào)節(jié)器可以采用TI公司的TPS56XX、TPS56100、TPS5602等電路[3]，我們的系統(tǒng)采用TPS5602。這款電路具有以下主要特點(diǎn)[4]：
1）較寬的輸入電壓范圍：（4.5V～25V）。能滿(mǎn)足多種系統(tǒng)的要求。
2）具有兩個(gè)獨(dú)立的輸出電壓通道，僅需一個(gè)電路就能提供DSP所需的兩種電壓，并可通過(guò)相關(guān)引腳設(shè)置兩個(gè)電源的上電順序。
3）兩種輸出電壓值是可調(diào)的，從1.2V到接近輸入電壓。近年來(lái)，在各種實(shí)際應(yīng)用中，要求的功耗越來(lái)越低，TI公司的DSP系列也順應(yīng)了這一趨勢(shì)，各種低功耗電路相繼出現(xiàn)，TPS5602的電壓可調(diào)性為用戶(hù)產(chǎn)品的升級(jí)換代提供了快捷的解決方案。
4）采用滯后控制以獲得快速的瞬態(tài)響應(yīng)（小于2μs，而一般的PWM變換器需100μs）。
5）高效率，低電源電流，低待機(jī)電流等。
典型電路設(shè)計(jì)如圖1[5]所示。
兩個(gè)可調(diào)輸出電壓值可用式（1）和式（2）來(lái)計(jì)算：
式中，參考電壓Vref=1.185V。
例如，欲使Vout1=1.9V，Vout2=3.3V，則可選擇R3=1.2kΩ，R2=2kΩ；R4=1.2kΩ，R1=680Ω。
另外，可以通過(guò)引腳SOFTSTART1及引腳SOFTSTART2來(lái)設(shè)置核電壓及I/O電壓的啟動(dòng)順序。具體操作為選擇合適的軟啟動(dòng)電容值以控制啟動(dòng)時(shí)間。在公式Csoft=2×tsoft中，Csoft為軟啟動(dòng)電容（μF），tsoft為啟動(dòng)時(shí)間（s）。
2.2監(jiān)控電路的設(shè)計(jì)
僅有供電電路的DSP供電系統(tǒng)是很不完善的，這是因?yàn)镈SP對(duì)工作電壓的要求十分嚴(yán)格，比如C6711要求電壓偏差不超出±5％，否則，長(zhǎng)期工作易對(duì)電路造成損害。有時(shí)，用一個(gè)簡(jiǎn)化的RC電路來(lái)完成使DSP復(fù)位時(shí)初始化的任務(wù)，如圖2所示。
為了識(shí)別尖峰干擾，使復(fù)位引腳上的電壓迅速地隨VDD 下降而下降，電路中加入了一個(gè)二極管，只要VDD下降超過(guò)0.7V，電容器就可以迅速放電。但是，有時(shí)VDD一個(gè)很小的電壓降就可能破壞存儲(chǔ)器和內(nèi)部寄存器中的內(nèi)容而并不產(chǎn)生復(fù)位，從而造成軟件的誤動(dòng)作，因此，在系統(tǒng)中加入電源監(jiān)控電路對(duì)于保障系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行是十分必要的[6]。
電源監(jiān)控電路的工作機(jī)理是這樣的：在系統(tǒng)上電過(guò)程中，監(jiān)控電路的復(fù)位信號(hào)保持有效，從而使DSP及其他電路（如果已接在監(jiān)控電路的復(fù)位輸出引腳上）始終處于復(fù)位狀態(tài)，不致產(chǎn)生不明的狀態(tài)，一旦所監(jiān)控的幾種電壓均已達(dá)到所規(guī)定的門(mén)限電壓（Vit＋）之上，就會(huì)解除復(fù)位，DSP等就可正常工作；在工作過(guò)程中，如果任何一個(gè)監(jiān)測(cè)引腳上的電壓低于了門(mén)限值(Vit－)，監(jiān)控電路會(huì)再次發(fā)出復(fù)位信號(hào)使系統(tǒng)復(fù)位。
TI公司提供了TPS3307-XX（18，25，33）系列電壓監(jiān)控電路，該系列電路可以同時(shí)****三個(gè)獨(dú)立的電壓，其中兩種是固定的，另一種是可調(diào)的。我們的系統(tǒng)采用TPS3307-33，其特點(diǎn)如下所述[7]。
1）兩種固定電壓分別是5V和3.3V，由于我們的系統(tǒng)外部提供5V電壓，通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生DSP所需的3.3VI/O電壓，因此，監(jiān)控電路正好可以監(jiān)控這兩個(gè)基本不會(huì)改變的電壓。不同型號(hào)DSP的核電壓很可能發(fā)生變化，故將可調(diào)的引腳SENSE留給核電壓，給以后產(chǎn)品的升級(jí)換代帶來(lái)便利。
2）只要工作電壓超過(guò)1.1V，電路就能發(fā)出有效的復(fù)位信號(hào)。
3）具有內(nèi)部定時(shí)器，在復(fù)位之后即使所監(jiān)控的電壓超過(guò)門(mén)限值，仍需延遲200ms才能退出復(fù)位狀態(tài)，這樣，可以確保系統(tǒng)在復(fù)位期間能夠完成初始化。由于具有內(nèi)部定時(shí)器，不需外接電容器來(lái)完成這一功能。
4）具有手動(dòng)復(fù)位引腳，可在需要時(shí)人工復(fù)位。這在調(diào)試時(shí)十分有用。
5）具有電壓滯后功能，Vhys=Vit＋-Vit－。其作用是避免當(dāng)電壓受噪聲干擾時(shí)，電路反復(fù)地切換到復(fù)位狀態(tài)。
具體電路如圖3所示。
Vadj是引腳SENSE3監(jiān)測(cè)的可調(diào)電壓，計(jì)算公式為
各監(jiān)控引腳的門(mén)限電壓分別為：Vsense1=4.55V，Vsense2=2.93V，Vsense3=1.25V。因此，式(3)中的1.25V實(shí)際就是引腳SENSE3的門(mén)限值。只要電壓低于此值，電路就會(huì)復(fù)位。所以，Vadj不能恰好取所要監(jiān)控的電壓值，而應(yīng)稍稍低于此值。比如，正常情況下允許C6711-150的核電壓最低為1.8V，故可以此值為Vadj。
選取電阻R1，和R2時(shí)，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：（1）容許偏差要小，比如小于1％，這樣可提高監(jiān)測(cè)精度；（2）兩電阻值之和約為1ΜΩ，可確保低的電流消耗。
有了以上這些條件，就可以很容易地計(jì)算出所需的電阻值。例如Vadj=1.8V，可列出如下方程組：
最后可取R2=680kΩ，R1=300kΩ。
TPS3307-33的電源電壓可為2V～6V，電路中將其接至3.3V而非5V是有一定考慮的：電路的最低輸出高電平電壓為VDD-0.2V，其中VDD是接入的電源電壓，如果接5V，則與DSP及其他3.3V的器件不匹配。
在VDD和GND之間接入100nF電容器的目的是為了防止由于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓不穩(wěn)而造成復(fù)位時(shí)在VDD端產(chǎn)生振動(dòng)。如果不用該電容，很可能復(fù)位輸出的振蕩。
最后一個(gè)值得探討的問(wèn)題是關(guān)于TPS3307 系列所監(jiān)控的電壓的可調(diào)節(jié)性。盡管在一般情況下TPS3307系列監(jiān)控的電壓有兩種是固定的，但是，有時(shí)也可根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。TPS3307的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，對(duì)比圖3，可以很清楚地看出，SENSE1和SENSE2只是將分壓電阻用電路的內(nèi)部電阻固定了，當(dāng)直接監(jiān)控外部電壓時(shí)，只能為固定電壓。但在特殊情況下，比如確實(shí)找不到合適的電路的時(shí)候，也可通過(guò)在引腳SENSE上外接合適電阻器的方法來(lái)調(diào)整其所監(jiān)測(cè)的電壓值，以解燃眉之急。TI公司給出了這些內(nèi)阻值，如TPS3307-33的R1為870kΩ，R2為330kΩ,R3為573kΩ，R4為427kΩ。對(duì)此有興趣的讀者不妨自己試試。
3結(jié)論
通過(guò)供電電路和監(jiān)控電路的協(xié)調(diào)配合，就可以為DSP系統(tǒng)提供有效的電源供給，使其長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地工作。雖然我們的系統(tǒng)采用的是C6711型DSP，本文所舉實(shí)例也多是基于此類(lèi)電路，但是，只要將相關(guān)的電子元件的參數(shù)適當(dāng)修改，完全可以適合C6000系列其他型號(hào)產(chǎn)品的需要。
當(dāng)然，在設(shè)計(jì)實(shí)際電源系統(tǒng)時(shí)，還需要考慮消除電磁干擾、散熱處理等諸多因素，限于篇幅，不再一一贅述。
參考文獻(xiàn)
[1]彭啟琮，李玉柏，管慶.DSP技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2002.
[2]任麗香，馬淑芬，李方慧.TMS320C6000系列DSP的原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.
[3]DSPPowerSolutions[Z].TIdatabook,1999.
[4]TPS5602DUAL,FAST,HIGHEFFICIENCYCONTROLLERFORDSPPOWER[Z].TIdatabook:SLVS217,1999.
[5]BangS.Lee.UsingtheTPS5602forPoweringDSPs[R].ApplicationReportofTI:SLVA078A,2000.
[6]BerndKornmeier,DirkGehrke.TPS330xSupervisingDSPandProcessorApplications[R].ApplicationReportofTI:SLVA056A,2000.
[7]TPS3307-18,TPS3307-25,TPS3307-33TRIPLEPROCESSORSUPERVISORS[Z].TIdatabook:SLVS199A,2002
66821730(技術(shù)支持)
