TMS320LF2407A在混合電壓中的設(shè)計(jì)

　　隨著便攜式數(shù)字電子產(chǎn)品、數(shù)字式移動(dòng)電話、手持式測(cè)試儀表等的迅速發(fā)展，要求使用體積小、功耗低、電池耗電小的器件，從而使得集成電路的工作電壓已經(jīng)從5V降到3．3V甚至更低，例如2．5V和1．8V。但是目前仍有許多5V電源的邏輯器件和數(shù)字器件可用，因此在許多設(shè)計(jì)中將會(huì)有3．3V邏輯器件和5V邏輯器件共存，而且不同的電源電壓在同一電路板中混用。隨著更低電壓標(biāo)準(zhǔn)的引進(jìn)，混合電壓的系統(tǒng)將會(huì)代替單電壓系統(tǒng)，并會(huì)在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)存在。

　　1 TMS320LF2407A概述

　　TMS320LF2407A是TI公司推出的一款定點(diǎn)DSP控制器，它采用了高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3．3V，減小了控制器的功耗；40MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到25ns(40MHz)，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力；集成了32K字的閃存(可加密)、2．5K的RAM、500ns轉(zhuǎn)換時(shí)間的A／D轉(zhuǎn)換器，片上事件管理器提供了可以滿足各種電機(jī)的PWM接口和I／O功能，此外還提供了適用于工業(yè)控制領(lǐng)域的一些特殊功能，如看門狗電路、SPI、SCI和CAN控制器等，從而使它可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

　　然而，在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，還需要對(duì)TMS320LF2407A進(jìn)行必要的外圍擴(kuò)展，譬如程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)的擴(kuò)展、CAN的驅(qū)動(dòng)等，以滿足整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)際需要。

　　2 電源設(shè)計(jì)

　　TMS320LF2407A的工作電壓是3．3V，而目前許多常用外圍器件的主要工作電源通常是5V，因此以TMS320LF2407A為核心所構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)必然是一個(gè)混合電壓系統(tǒng)。與完全的3．3V系統(tǒng)相比較，混合電壓系統(tǒng)由于低電壓器件的缺乏，顯然有不少缺點(diǎn)。其中一個(gè)主要缺點(diǎn)就是對(duì)多電源的要求，一個(gè)典型的系統(tǒng)需要3V、5V、+12V／-12V，甚至更高的電壓。設(shè)計(jì)的一個(gè)目標(biāo)就是減少所需電源的數(shù)目，并減少產(chǎn)生這些電源電壓所需器件的數(shù)目。為了減少多電源所需的額外器件的數(shù)目，不少?gòu)S家提供了產(chǎn)生多種電壓的芯片。同時(shí)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，將會(huì)出現(xiàn)更多的低電壓器件，從而逐漸消除對(duì)多電源的要求和產(chǎn)生這些電源的花費(fèi)和復(fù)雜性。 對(duì)于TMS320LF2407A應(yīng)用系統(tǒng)而言，首先要解決TMS320LF2407A的電源問題。解決3．3V電源通常有以下幾種方案。

　　2．1 電阻分壓

　　利用電阻分壓的方法比較簡(jiǎn)單，其原理如圖1所示。但是，該電路實(shí)際的輸出電壓顯然要小于3．3V，并且隨著負(fù)載的變化，輸出電壓也會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。另外，這種電路的功耗也比較大。然而，其成本比較低并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以作為一種應(yīng)急的方案。對(duì)于低功耗的系統(tǒng)和對(duì)電源要求高的系統(tǒng)，不適合采用這種方案。

　　2．2 直接采用電源模塊

　　考慮到開關(guān)電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，一些公司如Agere(原來朗訊的微電子部)、Ericsson、Vicor等，推出了基于開關(guān)電源技術(shù)的低電壓輸出電源模塊。這些模塊可靠性和效率都很高，電磁輻射小，而且許多模塊還可以實(shí)現(xiàn)電源隔離。這些電源模塊使用方便，只需增加很少的外圍元件，但是價(jià)格比較昂貴。

　　2．3 利用線性穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換芯片

　　線性穩(wěn)壓芯片是一種最簡(jiǎn)單的電源轉(zhuǎn)換芯片，基本上不需要外圍元件。但是傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，如LM317，要求輸入電壓比輸出電壓高2V或者更大，否則就不能夠正常工作。因此對(duì)于5V的輸入，輸出并不能夠達(dá)到3．3V。面對(duì)低電源的需求，許多電源芯片公司推出了低電壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)。這種電源芯片的壓差只有1．3V-0．2V，可以實(shí)現(xiàn)5V轉(zhuǎn)3．3V／2．5V，或者3．3V轉(zhuǎn)2．5V／1．8V等要求。LDO所需的外圍器件數(shù)目少，使用方便、成本較低、紋波小、無電磁干擾。例如，TI公司的TPS73xx系列就是TI公司為配合DSP而設(shè)計(jì)的電源轉(zhuǎn)換芯片，其輸出電流可以達(dá)到500mA，且接口電路非常簡(jiǎn)單，只需接上必要的外圍電阻，就可以實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換。該系列分為固定電壓輸出的芯片和可調(diào)電壓輸出的芯片。但這種芯片通常效率不是很高，而且功耗比較大。 采用何種電源設(shè)計(jì)方案，取決于系統(tǒng)的具體要求。通常，小功率或?qū)﹄娫葱室筝^低的時(shí)候，可以采用LDO。但是對(duì)于大功率或?qū)﹄娫葱室筝^高的時(shí)候，則應(yīng)該使用電源模塊。TMS320LF2407A的特點(diǎn)之一就是低電壓工作，其功耗也比較低，所以采用TI公司的TPS73xx系列比較合適。其中，TPS7333是一種固定輸出3．3V電壓的電源轉(zhuǎn)換芯片，正好適合TMS320LF2407A的電源需要。

　　3 邏輯接口設(shè)計(jì)

　　由于TMS320LF2407A的引進(jìn)，不同電壓的邏輯系統(tǒng)將共存于同一個(gè)電路板中，譬如在同一電路板中存在3．3V和5V兩種邏輯系統(tǒng)。因此，在設(shè)計(jì)邏輯器件之間的接口時(shí)，采用適當(dāng)?shù)姆椒?，可以避免不同電壓的邏輯器件接口時(shí)出現(xiàn)問題，從而保證所設(shè)計(jì)的電路數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?

　　3．1 邏輯電平不同時(shí)接口出現(xiàn)的問題

　　在混合電壓系統(tǒng)中，不同電源電壓的邏輯器件相互接口時(shí)會(huì)存在以下三個(gè)主要問題：加到輸入或輸出引腳上允許的最大電壓的限制問題；兩個(gè)電源間電流的互串問題；必須滿足的輸入轉(zhuǎn)換門限問題。

　　器件對(duì)加到輸入腳或輸出腳的電壓通常是有限制的。這些引腳由二極管或分位元件接到Vcc。如果接入的電壓過高，電流將會(huì)。通過二極管或分位元件流向電源。例如，3．3V器件的輸入端接上5V信號(hào)，則5V電源將會(huì)向3．3V電源充電，持續(xù)的電流將會(huì)損壞二極管和電路元件。 在等待或掉電方式時(shí)，3．3V電源電壓降到0V，大電流將流通到地，這使總線上的高電平被下拉到地，這些情況將引起數(shù)據(jù)丟失和元件損壞。必須注意的是：不管是在3．3V的工作狀態(tài)或是0V的等待狀態(tài)，都不允許電流流向Vcc。

　　另外，用5V的器件驅(qū)動(dòng)3．3V的器件會(huì)有很多種不同情況，而且TTL和CMOS間的轉(zhuǎn)換電平也存在著不同情況。在這些情況下，驅(qū)動(dòng)器必須滿足接收器的輸入轉(zhuǎn)換電平，并且要有足夠的容限以保證不損壞電路元件。

　　3．2 3．3V和5V邏輯器件之間的接口

　　TMS320LF2407A的典型工作電壓是3．3V，其I／O口的電平也是3．3V。在進(jìn)行外圍接口設(shè)計(jì)時(shí)，如果外圍器件的工作電壓是3．3V，接口電路就比較簡(jiǎn)單，可以直接相連。如CYPRESS的CY7C1021BV33是一種64Kxl6的高性能CMOS靜態(tài)RAM，可以直接與TMS320LF2407A相連，對(duì)TMS320LF2407A的數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行擴(kuò)展。 但是，由于現(xiàn)在有許多常用外圍芯片的工作電壓都是5V，如EPROM等，而TMS320LF2407A的I／0工作電壓是3．3V，I／O的電平也是3．3V，因此在TMS320LF2407A和5V的外圍芯片之間就存在著可靠接口的問題。圖2為5V CMOS、5V TTL和3．3V TTL電子的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)。其中，VOH表示輸出高電平的最低電壓，VIH表示輸入高電平的最低電壓，VIL表示輸入低電平的最高電壓，VOL表示輸出低電平的最高電壓。從圖中可以看出5V m和3．3V TYL的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)是一樣的，而5V CMOS的轉(zhuǎn)換小平是不同的。因此，在將3．3V和5V系統(tǒng)接口時(shí)，必別考慮到兩者的不同。

　　所以，設(shè)計(jì)3．3V和5V的邏輯器件之間的接口時(shí)應(yīng)考慮以下四種情況：

　?。?）5V TTL器件驅(qū)動(dòng)3．3V TTL器件(LVC)。由于5VTTL和3．3V TTL的電子標(biāo)準(zhǔn)是一樣的，因此，如果3．3V TTL的器件可以承受5V的電壓，兩種器件之間就可以直金相連，而不需要額外的器件。但是如果3．3VTTL的器件不能承受5V的電壓，則需要添加專門的電路或者器件進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，譬如在接口設(shè)計(jì)中，增加一個(gè)額外的二極管來產(chǎn)生0．7V的電壓降。當(dāng)然，最好的辦法是在兩個(gè)器件之間增加一個(gè)TI公司的CBT標(biāo)準(zhǔn)的緩沖器，該緩沖器中集成了上述二極管。

　　(2)5V CMOS器件驅(qū)動(dòng)3．3V TTL器件(LVC)。顯然，兩者的轉(zhuǎn)換電平是不一樣的。對(duì)5V CMOS的VOH和VOL以及3．3V TrL的VIH和VIL做十分析可以得出，雖然兩者存在著一定的差別，但是能夠承受5V電壓的3．3V器件與5V CMOS器件接口時(shí)，卻可以正常工作。也就是說，5V CMOS器件可以驅(qū)動(dòng)那些能夠承受5V電壓的3．3V器件。

　　(3)3．3V TTL器件(LVC)驅(qū)動(dòng)5V TTL器件。由于兩者的轉(zhuǎn)換電平標(biāo)準(zhǔn)是一樣的，因此兩者相連時(shí)，不需要額外的器件。因?yàn)?V TTL器件的VIH和VIL電平分別是2V和0．8V，所以只要3．3V器件的VOH和VOL電平分別是2．4V和0．4V，5V TTL器件就可以將輸入電平識(shí)別為有效電平。

　?。?）3．3V TTL器件（LVC）驅(qū)動(dòng)5V CMOS器件。兩者的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的。從圖中可以看到，3．3V器件的VOH為2．4V，而5V CMOS的VIH為3．5V。即使3．3VLVC輸出的電壓達(dá)到3．3V，也不能夠滿足5V CMOS的高電平所要求的最小值，所以3．3V TTL器件(LVC)是不能直接驅(qū)動(dòng)5V CMOS器件的。在這種情況下，可以使用TI公司提供的一種驅(qū)動(dòng)器，如SN74ALVCl64245和SN74ALVC245。此類芯片采用雙電壓供電，一邊是3．3V供電，而另一邊是5V供電，因此可以較好地解決3．3V器件和5V CMOS器件之間的電平轉(zhuǎn)換問題。

　　3．3 TMS320LF2407A與外圍器件的接口實(shí)現(xiàn)

　　在設(shè)計(jì)TMS320LF2407A的外圍接口時(shí)，首先需要仔細(xì)分析TMS320LF2407A以及相關(guān)外圍器件的電平轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，這可以從器件的電氣參數(shù)表中獲得。TMS320LF2407A、M27C516(EPROM)和80C250的電平標(biāo)準(zhǔn)。

　　M27C516是一個(gè)32K的EPROM，可使用該器件對(duì)TMS320LF2407A的程序區(qū)進(jìn)行擴(kuò)展。TMS320LF2407A的VOH和VOL分別為2．4V和0．4V，而M27C516的VIH和VIL分別是2．0V和0．8V，因此從TMS320LF2407A到M27C516的單線控制線和地址線是可以直接相連的。但是LF2407A不能承受5V的電壓，所以從M27C516到TMS320LF2407A的數(shù)據(jù)線不能夠直接相連。解決的辦法是在中間增加一個(gè)緩沖器件，如74ALVCl64245。它采用雙電壓供電，一邊采用3．3V供電，另一邊采用5V供電，因此可將3．3V的電平轉(zhuǎn)換為5V的電平，相反也可以將5V的電平轉(zhuǎn)換為3．3V的電平，它可以用作兩個(gè)8位總線驅(qū)動(dòng)器或者一個(gè)16位總線驅(qū)動(dòng)器。TMS320LF2407A和M27C516通過74LVCl64245的接口示意圖如圖3所示。

　　總線接口時(shí)可以采用增加緩沖器件的方式，但是對(duì)于串口的接口，沒有必要增加緩沖器件，可以設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單的電路來實(shí)現(xiàn)，如與82C250的接口。82C250是驅(qū)動(dòng)CAN控制器和物理總線間的接口，提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。TMS320LF2407A的VOH是2．4V，而82C250的VIH是3．5V以上，很明顯TMS320LF2407A驅(qū)動(dòng)不了82C250； 同時(shí)，82C250的VOH大于4V，而TMS320LF2407A的VIH最大為3．6V，不能承受5V的電壓，因此，在TMS320LF2407A與82C250接口需要增加額外的電平轉(zhuǎn)換電路。圖4為一個(gè)由電阻和二極管組成的電平轉(zhuǎn)換電路，在CANTX輸出端，增加了一個(gè)二極管，從而使TXD接收的電壓提升了0．7V；同時(shí)RXD的電平經(jīng)過了兩個(gè)電阻的分壓，使得CANRX接收的電平可以保證在3．3V內(nèi)。

　　當(dāng)然，在CANTX和TXD之間還可以使用74LVC07來實(shí)現(xiàn)接口。這是一種簡(jiǎn)單的電平移位器件，它使用一個(gè)漏極開路的緩沖器去驅(qū)動(dòng)5V CMOS器件的輸入。因此，在CANTX和TXD之間增加一個(gè)74LVC07，并在其輸出端可通過上拉電阻接到5V電源上，從而驅(qū)動(dòng)TXD。 5V和3．3V器件甚至更低電壓的器件并存于一個(gè)系統(tǒng)中，這種情況已經(jīng)存在并且還將存在很長(zhǎng)一段時(shí)間。因此在設(shè)計(jì)這種混合電壓的系統(tǒng)時(shí)，需要仔細(xì)分析其中的邏輯器件接口問題。對(duì)于TMS320LF2407A來說，它是低電壓的芯片，如果與其它芯片的接口設(shè)計(jì)不好，不僅無法體現(xiàn)其低功耗的特點(diǎn)，而且會(huì)降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，甚至?xí)p害芯片。本文中介紹的幾種方法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有較高的可靠性。