CPCI嵌入式系統(tǒng)電源
西南林學(xué)院 張晴暉 李俊荻 文菠 徐安排
1 引言
嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于和通信領(lǐng)域。而這些系統(tǒng)運(yùn)行速度,系統(tǒng)較復(fù)雜,常常集成大規(guī)模FPGA器件、DSP器件、DDR存儲(chǔ)器以及接口電路。這對(duì)電源的輸出電壓值、功耗、電壓、上電順序以及電源完整提出的要求。這里介紹種基于CPCI的嵌入式單板計(jì)算機(jī)電源的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于設(shè)備和車載設(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(chǔ)存器、PCI接口、時(shí)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(shí)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(shí)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(duì)上電順序沒(méi)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,zui大電流為440 mA。另外需特別注意DDR2的VREF以及地址和信號(hào)的端口接電壓VTT,其電壓值都是0.9 V。其中,VREF對(duì)容差的要求嚴(yán)格(小于2%),不過(guò)其對(duì)電流的要求較小。而對(duì)VTT不有嚴(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(shí),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,必須采用的DDR端接電源器件。
該系統(tǒng)使用Spartan3型FPGA器件XC3S200實(shí)現(xiàn)1553收發(fā)器以及些接口電路的設(shè)計(jì)。該器件使用3個(gè)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(gè)電源信號(hào)都達(dá)到各自門限電壓,才釋放該復(fù)位信號(hào)。因此,對(duì)這3個(gè)電源信號(hào)的上電順序沒(méi)有要求。不過(guò),如果 VCCINT先于VCCAUX上電,則會(huì)在上電時(shí)額外增加幾百毫安的瞬時(shí)電流。估計(jì)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(jì)出該設(shè)計(jì)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(shí)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穩(wěn)壓器和DC/DC轉(zhuǎn)換器兩大類型。LDO屬于線穩(wěn)壓器主要應(yīng)用于輸人和輸出壓差較小的場(chǎng)合,其特點(diǎn)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,且輸出電流般不是很大。DC/DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率、輸出大電流、靜態(tài)電流小。但由于采用PWM,其開(kāi)關(guān)噪音較大,成本也相對(duì)較。且外接電路較復(fù)雜,般都需外接開(kāi)關(guān)管、電感及電容。許多 DC/DC將開(kāi)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(diǎn),以及對(duì)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)、便于批量生產(chǎn)和物料管理,該系統(tǒng)只使用3個(gè)不同型號(hào)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(shí)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(jì)
由于LDO電路簡(jiǎn)單及篇幅原因,這里重點(diǎn)討論LT3501的電路設(shè)計(jì),圖2為L(zhǎng)T3501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(jiǎn)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只為1%的電阻R680和R682(分別對(duì)應(yīng)R1,R2),代入式(1),計(jì)算其輸出電壓VOUT=1.495 V。