关于DSP应用电源系统的低功耗设计研究

2009-02-17 14:43:41来源: 与非网 关键字:DSP  CPU  电源芯片  MOSFET

      自从美国TI公司推出通用可编程DSP芯片以来,DSP技术得到了突飞猛进的发展。DSP电源设计是DSP应用系统设计的一个重要组成部分,低功耗是DSP电源系统设计的发展方向。由于DSP一般在系统中要承担大量的实时数据计算,在CPU内部,频繁的部件转换会使系统功耗大大增加,降低DSP内部CPU供电的核电压是降低系统功耗的有效方法,因此TI公司的DSP大多采用低电压供电方式。

  从一定程度上说,选择什么样的DSP就决定系统处于什么样的功耗层次。在实际应用中,电源系统直接决定了DSP能否在高性能低功耗的情况下工作,因此,一个稳定而可靠的电源系统是至关重要的。

  TI公司最新推出的TPS6229X系列开关电源芯片有两种工作模式:PWM模式和节能模式。在额定负载电流下,芯片处于PWM模式,高效稳定的为DSP供电,当负载电流降低时,芯片自动转入节能模式,以减小系统功耗,适宜于DSP系统的低功耗设计,本文主要介绍了该芯片的特点,并给出了基于此芯片的DSP电源电路。

  1 DSP电源特点

  1.1 电源要求

  TI公司的DSP需要给CPU、FLASH、ADC及I/O等提供双电源供电,分别为1.8V或2.5V核电源和3.3V的I/O电源,每种电源又分为数字电源和模拟电源,即数字1.8V(2.5V)、模拟1.8V(2.5V),数字3.3V,模拟3.3V。相对与模拟电源和数字电源,也要求有模拟地和数字地。数字电源与模拟电源单独供电,数字地与模拟地分开,单点连接。

   DSP大多采用数字电源供电,可以通过数字电源来获得模拟电源,主要有两种方式: (1)数字电源与模拟电源、数字地与模拟地之间加电感或铁氧体磁珠构成无源滤波网络。铁氧体磁珠在低频时阻抗很低,在高频时很高,可以抑制高频干扰,从而消除数字电路的噪声。 (2)采用多路稳压器。方法(1)结构简单,能满足一般的应用要求,方法(2)有更好的去耦效果,但电路复杂成本高。

  1.2 供电次序

  TI公司DSP采用双电源供电,因此,需要考虑上电、掉电顺序。大部分DSP芯片要求内核电压先上电,I/O电压后上电。因为如果只有CPU内核获得供电,周边I/O没有供电,对芯片不会产生损害,只是没有输入输出能力而已;如果周边I/O获得供电而CPU内核没有加电,那么DSP缓冲驱动部分的三极管处于未知状态下工作,这是很危险的。但是也有要求I/O电压先上电,内核电压后上电,如TMS320F2812。

  在设计不同DSP芯片的电源系统时,要根据其不同的电源特点,否则可能造成整个电源系统的损坏。

  2 TPS62290芯片介绍

  2.1 芯片特点

  TPS62290是TI公司最新推出的高效率同步降压DC/DC转换器,应用于手机、掌上电脑、便携式媒体播放器以及低功耗DSP电源设计中,其主要有以下特点:

       输出电流高达1000mA
 
       输入电压范围为2.3~6V
 
      固定工作频率为2.25MHz
 
      输出电压误差范围为一1.5%~1.5%
 
      轻载下采用节能模式
 
      静态电流约15μA
 
      最大占空比为100%
 
      芯片采用2×2×0.8mm SON封装 

     2.2 工作原理

  TPS62290降压调整器有两种工作模式:PWM模式和节能模式。当负载电流增大时,工作于PWM模式,当负载电流减小时,自动转入节能模式以减小系统功耗。

  在PWM模式下,TPS62290使用独特的快速响应电压控制器将输入电压供给负载,在每个周期的开始触发高压MOSFET开关管,电流从输入电容经过高压MOSFET开关和电感流向输出电容和负载。这一阶段,电流逐渐上升,当上升到PWM的极限电流时触发比较器,关闭高压MOSFET开关管。当高压MOSFET开关管的电流过大时也会触发电流极限比较器将其关闭。经过一段死区时间,低压MOSFET整流器工作,电感电流逐渐降低,电流从电感流向输出电容和负载,通过低压MOSFET整流器再流回电感中。在下个周期开始时,时钟信号又关闭低压MOSFET整流器并且打开高压MOSFET开关管,如此循环往复。

  当MODE引脚置为低电平时,TPS62290工作于节能模式。当负载电流减小时,也会自动转入节能模式。当工作于节能模式时,其工作频率会降低,负载电流接近静态电流,输出电压会比正常工作的输出电压高大约1%。此时,输出电压会受到PFM比较器的监视,一旦输出电压降低,器件发出一个PFM电流脉冲,触发高压MOSFET开关管,使电感电流上升。当定时结束时,高压MOSFET开关管关闭,低压MOSFET开关管工作,直到电感电流为零。

  TPS62290有效地将电流传递给输出电容和负载。如果负载电流降低,则输出电压会上升,如果输出电压等于或是高于PFM比较器的极限电压,芯片将停止工作进入睡眠模式,此时电流约为15μA,整个电源系统的功耗达到最低。

  2.3 可调输出电压原理

  TPS62290的电压输出范围为0.6V~Uin(Uin为输入电压),通过外接一个电阻取样网络实现输出电压的调整。其连接方法如图2所示。
 

  可调输出电压可由下式计算得到:

   其中Uref=0.6V(内部基准电压),为了减小反馈网络的电流,R2的值为l80kΩ或是360kΩ,R1与R2的和不能超过lMΩ,以抑制噪声。外部反馈电容C1必须具有良好的负载瞬态响应特性,其取值范围为22~33pF。电感L的取值为1.5~4.7μH,输出电容的取值范围4.7~22μF。在PCB布线时,连接FB引脚的线路要远离噪声源,以减少干扰。

 

 

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关键字:DSP  CPU  电源芯片  MOSFET

编辑:赵丽 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2009/0217/article_471.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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