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基于 TPS54310的雷达视频信号模拟器的电源设计
来源:本站整理  作者:佚名  2008-10-13 10:23:00



1 引言
   
雷达视频信号模拟器是调试雷达信号处理机的重要设备,具有模拟环境和目标视频回波信号功能,用于评估雷达信号处理器性能。由于模拟生成雷达视频信号需要大量运算,为了保证系统的实时性,采用TI公司的TMS320C6713B DSP作为信号合成的核心元件,采用XIUNX的Spartan-IIE系列FPGA控制系统时序逻辑,从而增加系统设计的灵活性,简化设计。由于TMS320C6713B DSP的MW核电压为1.2 V,外围I/O电压为3.3 V;而FPGA的内核电压为1.8 V,外围I/O电压为3.3 V,所以电源系统至少需要产生三种电压。另外,必须考虑上电顺序,如果只有DSP或FPGA的内核获得供电,外围I/O无供电,则不会损坏器件的,仅无输入/输出:反之,如果外围I/O获得供电而CPU内核无供电,那么器件缓冲/驱动部分的三极管将工作于未知状态,这是非常危险的。考虑到DSP的功耗较大,且本系统要求多片DSP同时工作,若采用线性电源。必产生较大的热损耗,因此采用输出电压可调、高转换率的开关电源实现电源系统的设计。


2 电源系统设计
   
本系统设计采用低电压输入、大电流输出的同步PWM降压式电压转换器TPS54310实现电源系统设计,采用TPS54310只需少量外围元件,60 mΩ的MOSFET开关管可保证在持续3 A的输出电流时转换率高于92%;通过配置外围元件产生0.9 V、1.2 V、1.5 V、1.8 V、2.5 V、3.3 V的电压,PWM频率范围为280 kHz~700 kHz:利用峰值电流限制和热关断实现过载保护:强散热型PWP封装具有更好的散热功能。此外,TI公司还提供该系列电源器件的设计工具一SWIFT软件,可辅助完成电源系统设计,缩短研发周期。
2.1 内核电压及外围I/O电压
   
由于TPS54310可通过调节外围电阻的阻值,产生系统所需1.2 V、1.8 V、3.3 V,其各路电压产生的电路原理图如图1~图3所示,图1产生1.2 V电压,图2产生1.8 V电压,图3可产生3.3 V电压,因各电路原理基本相似,本文以图1为例说明如何调整输出电压的幅值,以满足电源系统要求。图1中只需调节R144与R150,使其满足如下公式:
    R144=(R150×0.890)/(Vo-0.891)              (1)
    R150取10 kΩ,因图1产生1.2 V的电压(Vo),式1可得R144的阻值约为26.1 kΩ。
    本设计中所有TPS54310的开关频率都设置为700 kHz,该频率的设置通过式2计算。以图1为例,其中fSW为可设置的开关频率,其设置范同为280kHz~700 kHz,同时要求SYNC保持开路状态。
    R136=(100 KΩ/fSW)×500 kHz                   (2)
    故R136的阻值约为71.5 kΩ。
    设置输出滤波电路可通过SWIFT软件计算。

2.2 顺序上电
    系统采用TI公司的TMS320C67-13B DSP和Xilinx的Spartan-IIE系列FPGA,这两种器件均需内核电压和外同I/O电压。上电时,要保证内核先加电,外围I/O后加电;掉电时,应先关断外围I/O电源,再关断内核电源。
    实现内核电压与外围I/O电压的顺序供电,可通过调整TPS54310的SS/ENA引脚所连接的电容并利用其PWRGD和SS/ENA信号满足顺序供电要求。SS/ENA引脚通过一只小容量电容接地,实现使能、输出延迟和电压上升延迟,其延迟时间与容值成正比:

    其中:td为输出延时时间(s);C(88)为SS/ENA引脚所接电容(μF);t(SS)为输出电压上升延迟时间(s)。本系统设计的内核电压电路中C(SS)=0.039μF,如图1、图2所示。而外围I/O电压电路中C(SS)=0.1 μF,如图3所示。根据式(3)、式(4)计算内核电压的td、t(SS)分别为9.36 ms和5.46 ms;外围I/O电压的td、t(SS)分别为24 ms和14 ms。将产生内核电压的TPS54310的PWRGD引脚接至SS/ENA引脚,这样,即使电容击穿,在开始上电时,产生内核电压的TPS54310的输出未达到阈值,PWRGD输出低电平,产生外围I/O电压的TPS54310处于关闭状态,直至内核电压稳定。这样可确保内核先上电:掉电时,产生内核电压的TPS54310的输出低于阈值,PWRGD引脚输出低电平,产生外围I/O电压的TPS54310的输出关断,保证外围I/O先断电。


3 电压监控与复位电路
   
在雷达视频信号模拟器的设计中,由于视频卡电路的高频特性,开关的电磁辐射和线路噪声都将干扰电路的器件工作电压。且DSP、FPGA对其工作电压要求较高,偏差不能超过5%,一旦工作电压超出该偏差,长时间工作容易缩短器件寿命甚至烧
毁。因此,系统设计需要通过电压监控电路实时监控器件工作电压,确保系统提供稳定正常的电压。
    电压监控电路的工作原理:系统上电期间,监控器件的复位信号保持有效,使DSP和其他器件始终处于复位状态,一旦监控的电压值都达到规定的门限电压,则释放复位,DSP等器件即可正常工作。在工作过程中,如果任一监控电压低于门限值,监控器件再次发送复位信号使系统复位。
    电压监控与复位电路采用TI公司的TPS3307-18D实现。TPS3307-18D是一款微处理器电源控制器,可同时输出高电平有效和低电平有效的复位信号;同时监控三路独立的电压:3.3 V、1.8 V、可调电压;具有内部定时器,复位后即使监控电压均已
超过门限值,仍需200 ms才能退出复位状态,这样可确保系统在复位期间完成初始化。本系统的DSP、FPGA等器件的复位信号均是低电平有效,因此采用TPS3307-18D的RESET信号实现复位,采用RESET作为复位指示,实现系统中的3.3 V、1.8 V、1.2 V(放大到3.6 V)的电压监控,电压监控与复位电路如图4所示。只要TPS3307-18D的供电电压高于1.1 V,当所监控电压中任意一个电压低于其门限值,就可发出复位信号,使相关器件复位。另外,TpS3307-18D还具有一个手动复位信号,通过复位按钮手动复位。

4 PCB布局及外围器件选择
    由于开关DC-DC存在高频干扰,故在PCB布局及外围器件选择时应注意合理布线及选择恰当的外围器件,能有效降低开关噪声。布线中应注意的是:输出电容的位置要靠近电感的输出端:功率电感布线要尽量宽;误差放大器的反馈输入端要远离功率电感等。为使TPS54310在大负载下正常工作,要使其热焊盘大面积接地,加快散热;而其外围器件则应选用带有屏蔽罩的功率电感和低ESR的输出电容。


5 结束语
   
经使用证明,本系统设计的电源系统能为雷达视频模拟器提供稳定的电源,同时转换率高达92%、输出电压纹波小于0.05 V、输出功率最大可达19 W、动态响应快。另外,电压监控与复位电路使整个系统长期稳定工作,同时也避免因电压波动而造成DSP加载异常,所以本系统设计的电源系统也适用于其他DSP系统应用场合。

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