關于DSP應用電源系統(tǒng)的低功耗設計研究

自從美國TI公司推出通用可編程DSP芯片以來，DSP技術得到了突飛猛進的發(fā)展。DSP電源設計是DSP應用系統(tǒng)設計的一個重要組成部分，低功耗是DSP電源系統(tǒng)設計的發(fā)展方向。由于DSP一般在系統(tǒng)中要承擔大量的實時數(shù)據(jù)計算，在CPU內(nèi)部，頻繁的部件轉換會使系統(tǒng)功耗大大增加，降低DSP內(nèi)部CPU供電的核電壓是降低系統(tǒng)功耗的有效方法，因此TI公司的DSP大多采用低電壓供電方式。

　　從一定程度上說，選擇什么樣的DSP就決定系統(tǒng)處于什么樣的功耗層次。在實際應用中，電源系統(tǒng)直接決定了DSP能否在高性能低功耗的情況下工作，因此，一個穩(wěn)定而可靠的電源系統(tǒng)是至關重要的。

　　TI公司最新推出的TPS6229X系列開關電源芯片有兩種工作模式：PWM模式和節(jié)能模式。在額定負載電流下，芯片處于PWM模式，高效穩(wěn)定的為DSP供電，當負載電流降低時，芯片自動轉入節(jié)能模式，以減小系統(tǒng)功耗，適宜于DSP系統(tǒng)的低功耗設計，本文主要介紹了該芯片的特點，并給出了基于此芯片的DSP電源電路。

　　1 DSP電源特點

　　1．1 電源要求

　　TI公司的DSP需要給CPU、FLASH、ADC及I／O等提供雙電源供電，分別為1．8V或2．5V核電源和3．3V的I／O電源，每種電源又分為數(shù)字電源和模擬電源，即數(shù)字1．8V(2．5V)、模擬1．8V(2．5V)，數(shù)字3．3V，模擬3．3V。相對與模擬電源和數(shù)字電源，也要求有模擬地和數(shù)字地。數(shù)字電源與模擬電源單獨供電，數(shù)字地與模擬地分開，單點連接。

　　 DSP大多采用數(shù)字電源供電，可以通過數(shù)字電源來獲得模擬電源，主要有兩種方式： (1)數(shù)字電源與模擬電源、數(shù)字地與模擬地之間加電感或鐵氧體磁珠構成無源濾波網(wǎng)絡。鐵氧體磁珠在低頻時阻抗很低，在高頻時很高，可以抑制高頻干擾，從而消除數(shù)字電路的噪聲。 (2)采用多路穩(wěn)壓器。方法(1)結構簡單，能滿足一般的應用要求，方法(2)有更好的去耦效果，但電路復雜成本高。

　　1．2 供電次序

　　TI公司DSP采用雙電源供電，因此，需要考慮上電、掉電順序。大部分DSP芯片要求內(nèi)核電壓先上電，I／O電壓后上電。因為如果只有CPU內(nèi)核獲得供電，周邊I／O沒有供電，對芯片不會產(chǎn)生損害，只是沒有輸入輸出能力而已；如果周邊I／O獲得供電而CPU內(nèi)核沒有加電，那么DSP緩沖驅動部分的三極管處于未知狀態(tài)下工作，這是很危險的。但是也有要求I／O電壓先上電，內(nèi)核電壓后上電，如TMS320F2812。

　　在設計不同DSP芯片的電源系統(tǒng)時，要根據(jù)其不同的電源特點，否則可能造成整個電源系統(tǒng)的損壞。

　　2 TPS62290芯片介紹

　　2．1 芯片特點

　　TPS62290是TI公司最新推出的高效率同步降壓DC／DC轉換器，應用于手機、掌上電腦、便攜式媒體播放器以及低功耗DSP電源設計中，其主要有以下特點：

輸出電流高達1000mA

輸入電壓范圍為2．3～6V

固定工作頻率為2．25MHz

輸出電壓誤差范圍為一1．5％～1．5％

輕載下采用節(jié)能模式

靜態(tài)電流約15μA

最大占空比為100％

芯片采用2×2×0．8mm SON封裝

2．2 工作原理

　　TPS62290降壓調(diào)整器有兩種工作模式：PWM模式和節(jié)能模式。當負載電流增大時，工作于PWM模式，當負載電流減小時，自動轉入節(jié)能模式以減小系統(tǒng)功耗。

　　在PWM模式下，TPS62290使用獨特的快速響應電壓控制器將輸入電壓供給負載，在每個周期的開始觸發(fā)高壓MOSFET開關管，電流從輸入電容經(jīng)過高壓MOSFET開關和電感流向輸出電容和負載。這一階段，電流逐漸上升，當上升到PWM的極限電流時觸發(fā)比較器，關閉高壓MOSFET開關管。當高壓MOSFET開關管的電流過大時也會觸發(fā)電流極限比較器將其關閉。經(jīng)過一段死區(qū)時間，低壓MOSFET整流器工作，電感電流逐漸降低，電流從電感流向輸出電容和負載，通過低壓MOSFET整流器再流回電感中。在下個周期開始時，時鐘信號又關閉低壓MOSFET整流器并且打開高壓MOSFET開關管，如此循環(huán)往復。

　　當MODE引腳置為低電平時，TPS62290工作于節(jié)能模式。當負載電流減小時，也會自動轉入節(jié)能模式。當工作于節(jié)能模式時，其工作頻率會降低，負載電流接近靜態(tài)電流，輸出電壓會比正常工作的輸出電壓高大約1％。此時，輸出電壓會受到PFM比較器的監(jiān)視，一旦輸出電壓降低，器件發(fā)出一個PFM電流脈沖，觸發(fā)高壓MOSFET開關管，使電感電流上升。當定時結束時，高壓MOSFET開關管關閉，低壓MOSFET開關管工作，直到電感電流為零。

　　TPS62290有效地將電流傳遞給輸出電容和負載。如果負載電流降低，則輸出電壓會上升，如果輸出電壓等于或是高于PFM比較器的極限電壓，芯片將停止工作進入睡眠模式，此時電流約為15μA，整個電源系統(tǒng)的功耗達到最低。

　　2．3 可調(diào)輸出電壓原理

　　TPS62290的電壓輸出范圍為0．6V～Uin(Uin為輸入電壓)，通過外接一個電阻取樣網(wǎng)絡實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)整。其連接方法如圖2所示。

　　 其中Uref=0．6V(內(nèi)部基準電壓)，為了減小反饋網(wǎng)絡的電流，R2的值為l80kΩ或是360kΩ，R1與R2的和不能超過lMΩ，以抑制噪聲。外部反饋電容C1必須具有良好的負載瞬態(tài)響應特性，其取值范圍為22～33pF。電感L的取值為1．5～4．7μH，輸出電容的取值范圍4．7～22μF。在PCB布線時，連接FB引腳的線路要遠離噪聲源，以減少干擾。