基于TPS54610的DSP+FPGA系统电源设计

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摘要：为了满足信号处理中常用的DSP+FPGA系统设计要求，本文采用TPS54610设计了一个高效、稳定的电源电路，并根据电源加载的次序要求，设计成多电源顺序启动电路。
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1 a9 y- v: U% @: X% ]+ `$ s　　关键词：TPS54610；DSP；FPGA；电源管理

引言

- m! G0 N4 n& C; D　　在信号处理系统中，由于计算速度和的要求，常采用高速DSP器件和大规模FPGA进行设计开发。在这类系统中，对电源模块的和供电电流要求很高，电源模块的设计将直接影响到整个系统的稳定性，因此，设计出高效、稳定的电源模块尤为重要。本文针对系统设计要求，采用同步降压DC/DC调整器TPS54610进行系统电源设计，并根据电源加载的次序要求，设计成多电源顺序启动电路，实际使用中该电源电路具有很好的使用效果。

DSP+FPGA系统电源要求

1 W5 n3 P; ~" l; E5 p　　系统处理器采用TI公司的数字信号处理器TMS320C6416T和Xilinx公司的Virtex4系列XC4VFX60 FPGA，内核电压和外围I/O电压分别为1.2V和3.3V；另外，系统数据缓存采用IDT公司的IDT70T3539M双口RAM，供电电压为2.5V，FPGA配置芯片XCF32P需要供电电压为1.8V，因此，系统中需要4种电源。同时，通过资料查阅和仿真估计，FPGA的电流为3A左右，DSP为1A，需要的电流比较大。考虑到DSP和FPGA在加电的过程中，要保证内核先供电，外围I/O后供电，否则可能导致输出端出现大电流，影响器件寿命甚至损坏器件。综合这三个方面的因素，本设计选用TPS54610系列产品来产生这4种电压。

+ L: v$ U# w( ^6 N6 H) r2 R0 zTPS54610简介
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　　TPS54610是专门为DSP、FPGA等多芯片、大电流系统供电而设计的一款低电压输入、大电流输出的同步降压DC/DC调整器，它内部含有30MW、峰值电流为12A的MOSFET开关管，输出电流6A，输出电压0.9V~3.3V可调，率达到1%，脉宽调制频率可调整；在功能上，具有限流、低压闭锁和过热关断电路，而且利用SS/ENA和PWRGD引脚可以设计启动时间和顺序启动电路，这些特点恰好满足了上述系统设计的需要。此外，它加强散热型的PWP封装为芯片提供了更好的散热。本系统采用4片TPS54610供电。

电路设计

, K$ b- I+ s  i% c内核电压的产生

, z) X) B* Z  c. m5 L  q　　TPS54610电路的设计应从开关频率、输入/输出滤波、反馈补偿网络和设置软启动时间这4个方面来考虑。采用TI公司的SWIFT Designer 辅助设计软件，可以方便地得到这些参数，减少了设计的难度。本系统内核电压为1.2V，电路如图1所示。

0 {( R( ~5 Y4 }  y　　此电路开关频率设置为700kHz，故应在RT和AGND引脚之间串联一个阻值为71.5kW的电阻，并保持SYNC引脚开路，其中，R和开关频率的换算公式为：R=(500kHz/开关频率)×100kW。输入电源的滤波和其它电源电路一样，主要是以减小纹波电压和旁路高频分量为目的，采用一个较大的电容(220mF)和较小的电容(10mF)配合使用，制板时电容的摆放应尽量靠近芯片；输出滤波由电感和电容共同完成，电感可在1mH~10mH之间取值，本设计采用4.7mH贴片电感。补偿网络的设计非常关键，图1中主要依靠RFP18和RFP17两个电阻组成分压网络，使输出电压为1.2V，其余电阻、电容构成环路补偿网络，元器件的选择方法很多，主要从输出电压值、带宽、纹波电压等方面考虑。设计时可以充分利用SWIFT Designer 辅助设计软件，它可以修改上述所有要求，以达到设计所需。设计时应注意：要确保电阻、电容使用标称值，同时，为了保证输出电压的准确性，建议使用精密电阻。软启动时间的设置通过SS/ENA引脚和一个低值电容接地获得，SS/ENA可以同时完成使能、输出延迟和电压上升延迟功能。其中，延迟时间和电容值成正比，近似为：
   
3 I4 r: @3 @4 {/ O" a' ^　　其中，td为输出延迟时间；Css为SS/ENA引脚所接电容；tss为输出电压上升延迟时间。本设计采用Css=0.01mF，td和tss分别为2.4ms和1.4ms。

+ K# R9 Y+ |2 Z6 x: ?  M其它电压的产生及

顺序供电电路的设计
, X7 d* N& l' K1 ?3 Z- P
& A2 O4 F- V6 |  \+ Z　　其它电压和内核电压的设计大体相同，主要就是输出电压值的不同，这点可以根据辅助设计软件设置分压网络中不同的电阻值得到。电路如图2、图3、图4所示。

! \! U5 n) N! f8 \　　图1、图2、图3、图4就构成了整个系统的电源设计，通过PWRGD和SS/ENA两个引脚的级联使用，就可以完成顺序启动电路的设计。PWRGD引脚在当VSENSE端的电压高于输出电压的90%时输出为高，否则为低。SS/ENA引脚除了上述软启动功能之外，还具有输出使能的功能，提供控制器允许工作逻辑信号，当SS/ENA为高电平时，与外接电容配合可设置启动时间；为低电平时，芯片关闭，输出为0。当JFP6、8、10三根跳线连接时，就能达到顺序启动的效果。具体过程如下：

+ y# H9 _1 `2 s　　外加5V电压后，根据SS/ENA外接电容计算，经2.4ms后，1.2V供电的TPS54610芯片开始启动，再经过1.4ms后，输出电压为1.2V，此时，PWRGD引脚由低电平变成高电平。由于该引脚和1.8V供电的TPS54610芯片的SS/ENA引脚相连，所以，在1.2V电压输出正常之前，供电1.8V的芯片输出一直为0，1.2V电压输出正常之后，供电1.8V芯片的SS/ENA引脚变成高电平。此后2.4ms，芯片开始启动。再经过1.4ms，输出电压为1.8V。此时，1.8V供电的TPS54610芯片的PWRGD引脚变成高电平，该引脚与2.5V供电芯片的SS/ENA引脚相连，只有等到1.8V正常输出之后，2.5V供电芯片才开始工作。同样，只有2.5V正常输出之后，3.3V的供电芯片才开始工作。这样，就形成了一个顺序启动的过程，也就保证了DSP和FPGA内核先供电、外围I/O后供电的需要。

3 |; a1 D% P, c; C电源指示灯和其它设计
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/ c% O' N$ P) J. @  K8 ?' l　　根据上述顺序启动电路的特点，只有在所有电压都正常输出之后，3.3V供电的TPS54610芯片的PWRGD引脚才输出高电平，利用这个特点，设计如下的电源指示电路，如图5所示。电路正常输出之前，PG3V3为低电平，LED发光二极管达不到大于0.7V的偏压，不能发光；当电路正常输出，PG3V3为高电平时，LED发光二极管发光。这样就能更方便、直观地进行电路调试和系统电源工作状态的判别。
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　　此外，设计时在电源电路的输入和输出都设置跳线。输入跳线更有利于分开调试，当电路出现问题时方便查错。需要分级调试时，将这的输入接上，其它输入断开；需要电路整体工作时，将跳线都接上而不影响电路工作。输出跳线保证电源电路调试无误之后再加载到后级器件上去，以免由于电源问题损坏电路。

PCB设计注意点

/ N% H6 D- z& ?1 E9 f9 ?　　PCB设计时，除了需要注意PCB电磁兼容特性之外，还要考虑到TPS54610的特殊封装结构。为了解决TPS54610的散热问题，在其底部有一块PowerPAD区。制作PCB时应将芯片底部的PCB板表层放置在裸露的敷铜区，并且应该在该区域设置过孔，增加散热性能。该区域还应该与AGND相接，以增加电源的稳定性。敷铜区的放置方式如图6所示。

结语
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　　本文根据DSP+FPGA系统的要求，设计了基于TPS54610、具有4种电压输出的电源电路，并且构成多电源顺序启动电路。实际使用表明，该电路工作稳定，满足系统供电要求。该电路应用广泛，具体应用时，可以根据需要减少电压输出的种类，构成需要的电源设计；也可以修改分压网络的电阻值，得到所需的电压输出。■

inkee

在这类系统中，对电源模块的和供电电流要求很高，电源模块的设计将直接影响到整个系统的稳定性，

雷北城

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