LMK0480X holdover 功能分析

2013-07-22 10:55:59来源: eeworld 关键字:TI  时钟防抖

摘要

本文首先主要介绍了TI 的新一代时钟产品LMK0480X holdover 功能和指标,以及在新一代的无线C-RAN 网络中的应用。通过对LMK0480X holdover 的指标分析,证明LMK04808 完全满足通信网络的时钟倒换的需求。

 

1Holdover 功能的引入

在目前的通信系统当中,无论是有线还是无线,都是一个时钟同步系统。参考时钟从宿源端通过网络传递给系统中的各个设备;为了提高系统中各个设备的稳定性,同时为了提高系统中设备对于不同应用的灵活性,一般都有超过一路的参考时钟输入到设备中。当设备中的时钟单元在这些输入的参考时钟中切换时,要使时钟单元的输出要保持性能和时钟的稳定性,这就要求时钟电路具备holdover 功能,支持参考时钟hitless 切换。

 

以往的模拟时钟电路中所谓的holdover 功能,只是当发生时钟切换时,鉴相器的电荷泵被强制输出到VCC/2;但某些情况下,时钟锁定时的电荷泵电压和VCC/2 差别比较大,这样在时钟切换的过程中,输出时钟的跳变可能会超出系统所能允许的范围,造成系统的时序紊乱。

 

TI 最新的时钟去抖芯片LMK048XX 系列中,增加了电荷泵电压跟踪电路;这个电路实时采样电荷本电压并且保存更新到芯片的集成DAC 上;当芯片在输入时钟切换的过程中,电荷泵电压输出切换到DAC 的输出上,这样在参考时钟切换前后,压控电压变化非常微小,保证了系统时钟的稳定性。

 

LMK0480XX 系列时钟器件的Holdover 功能是真正的hitless switch,下面的章节将详细介绍holdover 的整个过程及相关的指标。

 

2LMK0480x 系列产品holdover 功能介绍

LMK048xx 系列是TI 推出的新一代时钟去抖芯片,采用了两级锁相环级联的架构。第一级锁相环,利用窄带环路滤波器和外部VCXO,主要完成对输入参考时钟去抖;第二级环路滤波器主要利用高性能的内部锁相环生成系统需要的各种时钟。上文提到的Holdover 功能是第一级锁相环具备的功能。

 

Figure 1 LMK0480X holdover 架构

上图是LMK048XX holdover 的功能框图。其中,CLKin0 CLKin1 分别是来自网络的两个参考时钟,选择一路作为时钟芯片以及系统的主时钟。当网络设备发生主从倒换或者业务切换时,时钟芯片的参考时钟也随之切换。触发参考时钟切换的条件可以为a. PLL1 DLD 状态,b.外部管脚的硬件控制,c. 内部寄存器控制。下面的讨论我们假定切换是以PLL1 DLD 状态触发的。

 

LMK048XX holdover 功能使能时,一个完整的参考切换过程如下图所示,主要分为如下几个步骤:

Figure 2 LMK0480X holdover 流程

Step1 PLL1 正常锁定在CLKin0 PLL1 DLD 为高;LMK048XX 集成的counter ADC 跟踪VCXO 的压控电压并更新集成的counter DAC 更新的速率为PDF/DAC_CLK_DIV,每个更新周期内上升或下降一个LSB

 

Step2:当CLKin0 由于某些原因丢失或出现比较大的频率误差时,PLL1 的鉴相误差超过锁定窗口(PLL1_WND_SIZE),DLD 为低;DLD 为低时,ADC 停止跟踪压控电压及更新DACDAC 的输出保持在最后锁定时的压控电压;DLD 拉低同时触发LMK048XX 进入holdover 状态,内部开关切换VCXO 的压控电压到DAC 输出。

 

在这个过程中,由于ADC/DAC DNL 误差(+/-2LSB),导致输出频率与锁定频率之间产生了频率误差,可以根据以下公式得到频率误差或频率准确度:

Equation 1

 

一般情况下,holdover 的频率误差可以控制在0.5ppm。进入holdover 功能以后,VCXO 的频率稳定度主要取决于VCXO 以及LMK048XX 自身的温度特性。

 

Step3 当芯片检测到CLKin1 的有效参考输入后,LMK048XX 不会立即退出holdoverVCXO 的输出首先会与CLKin1 的参考输入进行鉴相,只有连续HOLDOVER_DLD_CNT 个鉴相周期频率误差小于PLL1_WND_SIZELMK0480XX 将会退出holdover。按照最差情况下,如果要满足退出条件,CLKin1 VCO 的频率误差应该满足:

 Equation 2

 

退出holdover 所用的时间与CLKin1 VCXO 的初始相位有关,考虑最差的情况,退出holdover 所用的时间为:

 Equation 3

 

Step 4: LMK048XX 退出holdover 以后,VCXO Vtune 电压切回到PLL1 charge pump 输出,同时CLKin1 VCXO 开始锁相。由于在退出holdover 的过程中,VCXO CLKin1 的相位已经相当接近(PLL1_WND_SIZE),所以在重新锁定的过程中,VCXO CLKin1 的相位误差迅速减小,满足小于PLL1_WND_SIZE。一般情况下,这个时间不会大于20ms

 

LMK048XX 中,为了使芯片稳定锁定,VCXO CLKin1 的误差必须连续PLL1_DLD_CNT 个鉴相周期小于PLL1_WND_SIZEDLD 才会置高上报芯片重新锁定。重新锁定的时间:

Equation 4

 

Step 5:当芯片再次锁定,DLD 重新置高,触发集成的ADC 重新跟踪VCXO 的压控电压,并开始更新DAC 输出。

 

由于DAC coutner DAC,更新的速率为每个工作周期增加或降低一个1LSB。当考虑最差情况下,DAC 更新到VCC/2 的时间为:

      Equation 5

 

LMK048XX 要求PFD/DAC_CLK_DIV < 100KHz,以保证DAC 的更新速度。

 

至此,LMK048XX 已经完成了输入参考时钟的整个平滑切换,进入了重新锁定的状态。

 

3Holdover 功能的参数设置

 

3.1 Holdover 功能的配置

使用holdover 功能,必须首先Holdover_Mode = Enable;在绝大多数的应用场景,内部的DAC 输出需要跟踪 VCXO Vtune 电压,所以EN_Track = 1; 并且跟踪电路的正常工作需要在PLL1 锁定之前设置EN_Track =1;否则,当PLL1 锁定之后,设置EN_Track=1 并不能使DAC 输出跟踪Vtune 电压。

 

DAC 的电压也可以是手动设置,此时需要EN_MAN_DAC = 1;同时LMK0480X 提供了两个寄存器,DAC_Low_Trip DAC_High_Trip, 用于设置DAC 输出电压的上下门限。

 

触发芯片进入holdover 状态,可以是以下任一条件:

Ø Force_holdover = 1;

Ø PLL1 失锁 DLD =0;

Ø Vtune DAC 跟踪电压超出DAC_Low_Trip DAC_High_Trip;

 

     在使用的过程中,需要根据不同的系统需求选择合适的holdover 触发条件;从目前来看,大部分应用场景选择PLL1 失锁或DLD = 0 触发holdvoer 状态。

 

最后还需要配置Holdover_DLD_CNT 以及DAC_CLK_DIV,这两个寄存器的功能在第二章中已经介绍。

 

3.2 Holdover 参数配置的注意事项

当系统上电开始工作是, CLKin0 CLKin1 来自光纤的恢复时钟, 性能并不稳定。若Holdover_DLD_CNT PLL1_DLD_CNT 值设置比较小,LMK0480X 很容易进入锁定状态,本地时钟VCXO锁定CLKin 输入信号,同时DAC 开始跟踪VCXO Vtune 电压;但前面提到,通常CLKin 在刚开始工作时并不稳定,某些情况下CLKin 的输入可能漂出VCXO 的频率调整范围,导致器件重新失锁并进入holdover 状态,并且此时holdover 输出电压可能为3.3V 0V;在这之后,CLKin 的频率渐趋稳定,但CLKin 的频率和VCXOVtune = 0V  3.3V)的频率不能满足退出holdover 的条件,出现了LMK0480X 无法退出holdover 的情况。如下图PartA 部分所示。因此,在holdover 功能电路设计中,通常适当的增加PLL1_DLD_CNT HOLDOVER_DLD_CNT 的值,使得退出和锁定的判决条件更为苛刻,只有当CLKin 稳定时,才会退出holdover,进入锁定。如下图PartB 部分所示。

 

另一方面,在第二章中分析得到,当PLL1_DLD_CNT HOLDOVER_DLD_CNT 的值过大时,会影响时钟切换的整个时长,所以在应用中,PLL1_DLD_CNT HOLDOVER_DLD_CNT 值得选取,是一个折中的过程;同时也可以通过芯片的配置流程对这个问题加以改善。

Figure 3 上电时参考时钟和holdover 关系 

[1] [2]

关键字:TI  时钟防抖

编辑:冯超 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2013/0722/article_11703.html
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