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CPCI嵌入式系統(tǒng)電源

作者: 時間:2011-09-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1 引言

嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于控制和通信領(lǐng)域。而這些系統(tǒng)運(yùn)行速度高,系統(tǒng)較復(fù)雜,常常集成超大規(guī)模FPGA器件、DSP器件、DDR存儲器以及各種接口電路。這對電源的輸出電壓值、功耗、電壓精度、上電順序以及電源完整性提出更高的要求。這里介紹一種基于CPCI的嵌入式單板計算機(jī)電源的設(shè)計方案。該設(shè)計主要應(yīng)用于航空設(shè)備和軍用車載設(shè)備。

2 系統(tǒng)電源需求分析與器件造型

圖1為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)由CPU和與其相連的DDR儲存器、PCI接口、時鐘、電源、EBC總線以及外部接口電路組成。CPU采用AMCC公司的PowerPC 440EPx。

2.1 系統(tǒng)電源需求

該系統(tǒng)電源較復(fù)雜,有多達(dá)8種不同的電源電壓值,其中5 V和3.3 V由CPCI機(jī)箱提供。5 V供給DC/DC器件降壓以產(chǎn)生其他電源電壓,同時給1553總線的變壓器供電。3.3 V是系統(tǒng)主電源,包括USB PHY、時鐘器件、FPGA和CPU以及PCI橋器件(PLX6466)的I/O部分等。其他電源電壓都是由5V或3.3 V經(jīng)電源器件降壓得到。

表1、2分別為CPU和PCI橋器件的功耗需求,CPU器件對上電順序沒有要求。其中VDD 1.5 V是PPC440EPx的內(nèi)核電壓,SOVDD是CPU的DDR2接口電源;1.8 V為PCI橋的內(nèi)核電壓,VDDIO是PCI橋的接口電源。

該系統(tǒng)采用DDR2作為內(nèi)存,使用4片Micron公司的MT47H64M16,容量為512 MB。每片DDR2器件的內(nèi)核、接口和DLL的電源電壓都是1.8 V,最大電流為440 mA。另外需特別注意DDR2的VREF以及地址和控制信號的端口接電壓VTT,其電壓值都是0.9 V。其中,VREF對容差的要求非常嚴(yán)格(小于2%),不過其對電流的要求較小。而對VTT不僅有嚴(yán)格的容差要求,而且還要求其能在瞬間輸出或吸收很大的電流。同時,VREF岍要隨著VDD的變化而變化,VTT也要跟蹤VREF的變化。通常的LDO難以完成這樣的工作,必須采用專用的DDR端接電源器件。

該系統(tǒng)使用Spartan3型FPGA器件XC3S200實現(xiàn)1553收發(fā)器以及一些接口電路的設(shè)計。該器件使用3個電壓內(nèi)核電壓VCCINT(1.2 V),輔助電壓VCCAUX(2.5 V)以及接口電壓VCCO(3.3 V)。FPGA內(nèi)部有上電復(fù)位電路,只有當(dāng)這3個電源信號都達(dá)到各自門限電壓,才釋放該復(fù)位信號。因此,對這3個電源信號的上電順序沒有要求。不過,如果 VCCINT先于VCCAUX上電,則會在上電時額外增加幾百毫安的瞬時電流。估計FPGA器件功耗可采用基于電子數(shù)據(jù)表的工具XPower  Estimator(XPE)或在ISE下直接調(diào)用XPower。系統(tǒng)利用XPower軟件估計出該設(shè)計功耗需求:VCCINT為50 mA,VCCAUX為10 mA。系統(tǒng)使用兩片88E1111作為千兆以太網(wǎng)的PHY器件,該器件以2.5 V為砌電壓(410 mA),1.0 V為內(nèi)核電壓(250 mA)。除上述集成電路外,系統(tǒng)還有諸如串行接口、USB接口、時鐘等電路,但功耗都較低。從分析可知:1.5 V和1.8 V需要使用大功率的電源器件,DDR2的電源需要專用的電源器件,其他電壓的功率要求較小。

2.2 電源器件選型

電源器件主要分為線性穩(wěn)壓器和DC/DC轉(zhuǎn)換器兩大類型。LDO屬于線性穩(wěn)壓器主要應(yīng)用于輸人和輸出壓差較小的場合,其特點是:成本低、噪音低、靜態(tài)電流小、需外接元件少,但其轉(zhuǎn)換效率不是很高,且輸出電流一般不是很大。DC/DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率高、輸出大電流、靜態(tài)電流小。但由于采用PWM控制,其開關(guān)噪音較大,成本也相對較高。且外接電路較復(fù)雜,一般都需外接開關(guān)管、電感及電容。許多新型 DC/DC將開關(guān)管集成到器件內(nèi)部.因此只需外接電感和濾波電容。

根據(jù)電源器件的特點,以及對系統(tǒng)電源需求的分析,這兩種類型的電源器件在該系統(tǒng)都得到使用。但為簡化設(shè)計、便于批量生產(chǎn)和物料管理,該系統(tǒng)只使用3個不同型號的電源器件,分別是:LT3501、LDO器件TPS51100和TPS74801。其中,功耗需求較大的1.5 V和1.8 V電源電路采用LT3501實現(xiàn);DDR2的端接電源和參考電源由器件TPS51100提供;系統(tǒng)的其他電源由TPS74801提供。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

由于LDO電路簡單及篇幅原因,這里重點討論LT3501的電路設(shè)計,圖2為LT3501的電路原理圖。


3.1 參數(shù)配置

3.1.1 輸出電壓

輸出電壓值的選擇較簡單,由連接在VOUT和VFR間的2只電阻分壓得到。其公式為:

圖2中,分壓電阻為2只精度為1%的電阻R680和R682(分別對應(yīng)R1,R2),代入式(1),計算其輸出電壓VOUT=1.495 V。

3.1.2 開關(guān)頻率

LT3501的開關(guān)頻率由連接在RT/SYNC引腳上的電阻決定,如圖3所示。當(dāng)電阻從15.4 kΩ增加到133 kΩ時,其開關(guān)頻率從1.5 MHz減小到250 kHz。為減小外連的電感和電容的尺寸,便于PCB設(shè)計,開關(guān)頻率選擇較高的f=1.2 MHz。則根據(jù)圖3所示曲線,其電阻值為20.6 kΩ。

3.1.3 電感值

對于開關(guān)電源,電感的取值非常重要。根據(jù)LT3501的數(shù)據(jù)手冊公式:

式中,DC指占空比,其最小值DCMIN=tON(MIN)×f=0.24。VD是捕捉二極管的正向壓降,其值約為0.4 V。

假如最大輸出電流需3 A,由式(2)可計算電感L至少為1.2μH。

為提高效率,減小輸出紋波,要求電感:額定電流的有效值應(yīng)大于最大負(fù)載電流;同時其飽和電流值應(yīng)大于30%;直流電阻值應(yīng)小于0.05 Ω,其電感值應(yīng)大于理論值。據(jù)此,系統(tǒng)選擇PB03316-1R5MT,該電感的電感值為1.5μH,直流電阻為0.010Ω,額定電流有效值為8.0 A,飽和電流為6.4 A。選定電感值后,就可將其代入式(2)計算紋波電流△IL為0.8 A。

3.1.4 輸入電容和輸出電容

由于開關(guān)電源的輸入是以脈沖形式為輸出提供電流,并且其上升和下降時間非???。

因此。需用輸入電容濾出電壓紋波,以減小EMI。并可使用4.7μF或更大的X7R或X5R型電容旁路輸入信號,也可使用鉭電容和較小容量的陶瓷電容并聯(lián)來實現(xiàn)。陶瓷電容應(yīng)盡可能靠近器件的輸入引腳。

輸出電容濾波流過電感的電流,以得到紋波很小的輸出電壓。同時,其儲能功能還可滿足瞬間負(fù)載,并穩(wěn)定LT3501的控制環(huán)路。LT3501的控制環(huán)路采用電流模式,對輸出電容的RESR(串連等效電阻)沒有要求。

因此,可以采用陶瓷電容來作輸出電容。輸出電容的值可以根據(jù)式(3)估算。其中MLS(Max Load Step)為最大電流負(fù)載的跳變,例如:該系統(tǒng)MLS為3A。

輸出電壓的紋波可按式(4)和(5)估算:式(4)計算陶瓷電容,式(5)計算鉭電容或鋁電解電容。系統(tǒng)采用溫度特性較好的X7R型陶瓷電容與鉭電容并聯(lián)。利用式(4)計算出紋波電壓約0.56 mV,滿足CPU和其他電路電源紋波的要求。

3.2 PCB布局

對于開關(guān)電源,PCB的布局非常重要。當(dāng)開關(guān)電源工作時,電路的部分支路存在很大的階躍電流。該電流主要在器件內(nèi)部的開關(guān)管、外面的環(huán)流二極管和輸入電容之間流動。由這些元件構(gòu)成的環(huán)路應(yīng)盡可能的小。在布局時,這些器件以及電感和輸出電容應(yīng)該布局在電路板的同一層,其連線也盡可能在同一層完成。在這些元件的下面,有一塊連續(xù)的局部地。該局部地與系統(tǒng)地的連接采用單點連接方法,連接點最好選在輸出電容的接地端。另外,SW和BST信號的布線要盡可能的短。 LT3501器件的底部有裸露的leadframe,該結(jié)構(gòu)散熱良好。在設(shè)計PCB時??稍谄骷撞康膶?yīng)位置放一塊覆銅,并通過多個過孔與內(nèi)層的大面積覆銅連接。

4 結(jié)論

分析該系統(tǒng)的功耗,在考慮一定冗余的基礎(chǔ)上,利用3種電源器件設(shè)計該嵌入式系統(tǒng)的電源電路。并使用MAX705電源監(jiān)控器件提高系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)已成功在多個實際應(yīng)用中得到驗證,并且表現(xiàn)良好。




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