高功耗嵌入式單板計(jì)算機(jī)的電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉寶明，蘇培培

（中國船舶重工集團(tuán)公司江蘇自動(dòng)研究所，江蘇 連云港222006）

0 引 言

當(dāng)前集成多個(gè)處理核心和高速接口的SOC型的處理器為復(fù)雜嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了方便性和靈活性。例如，F(xiàn)ree scale公司推出的MPC8641D處理器內(nèi)部集成兩個(gè)e600核心、兩個(gè)DDR2控制其和兩個(gè)高速SerDes接口，適合高密度的信號(hào)處理應(yīng)用。由于處理器集成度高、接口豐富，正常工作所需的電壓種類多、電流消耗大。因此，在進(jìn)行基于雙核MPC8641D處理器的嵌入式單板計(jì)算機(jī)開發(fā)過程中，設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的電源供電是其中一個(gè)關(guān)鍵部分。通過分析MPC8641D處理器的供電要求和外圍功能電路的特點(diǎn)，選用高性能的DC－DC和多種LDO電源芯片，實(shí)現(xiàn)單板計(jì)算機(jī)的電源供電設(shè)計(jì)，重點(diǎn)采用高性能三相開關(guān)電源芯片實(shí)現(xiàn)了處理器內(nèi)核的電源設(shè)計(jì)；并通過可編程邏輯CLPD實(shí)現(xiàn)了嵌入式單板計(jì)算機(jī)的上電時(shí)序控制和復(fù)位管理，解決基于高性能SOC處理器高功耗的單板計(jì)算機(jī)電源供電與管理問題。

1 處理器上電分析

MPC8641D處理器內(nèi)部集成兩個(gè)e600內(nèi)核和高速SerDes接口以獲取高的處理性能和數(shù)據(jù)傳輸，工作主頻最高為1.5GHz，每個(gè)內(nèi)核配備一個(gè)矢量處理引擎AltiVec，可帶來的額外性能提升。由于該處理器屬于SOC，工作所需的電源較多，例如本地總線接口需要有3.3V電源輸入，網(wǎng)絡(luò)接口部分需要2.5V的電源輸入，DDR2內(nèi)存控制器部分需要1.8V電源，其處理器內(nèi)核則需要1.0V電源。按照芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)中的要求，處理器在上電時(shí)必須保證除DDR2功能電路以外的電路先供電，DDR2控制器相關(guān)單元后上電，并且所有電源必須在20ms之內(nèi)上電完成，并進(jìn)行使能時(shí)鐘輸出和結(jié)束復(fù)位，數(shù)據(jù)手冊(cè)中推薦的上電順序圖見圖1。

圖1 MPC8641D處理器的上電時(shí)序

2 電源設(shè)計(jì)方案

基于MPC8641D處理器的嵌入式單板計(jì)算機(jī)主要應(yīng)用于信號(hào)處理與數(shù)據(jù)計(jì)算領(lǐng)域，按照功能單元?jiǎng)澐謫伟逵?jì)算機(jī)主要包括處理器最小單元、存儲(chǔ)器單元、FPGA協(xié)處理器單元、高速接口單元，以及時(shí)鐘、復(fù)位等功能電路。計(jì)算機(jī)模塊正常工作需要包括5V、3.5V、2.5V、1.8V、1.2V、1.0V等多種電壓的電源，整版功耗預(yù)計(jì)在35W左右。通常嵌入式單板計(jì)算機(jī)工作在一個(gè)密閉的、帶底板機(jī)箱環(huán)境中，由底板提供的12V和5V作為電源輸入，計(jì)算機(jī)模塊正常工作所需的電壓源均通過12V和5V的電源轉(zhuǎn)換而來。為了實(shí)現(xiàn)多種不同電壓源時(shí)序控制，嵌入式單板計(jì)算機(jī)上需要有一個(gè)Standby電源，主要功能是為上電控制器提供電源，確保上電控制器先于其它功能電路加電工作，由上電控制器控制各種電源的輸入隔離和轉(zhuǎn)換，并按照內(nèi)部的邏輯指令完成計(jì)算機(jī)模塊的電源上電順序控制、復(fù)位時(shí)鐘使能等管理功能。整個(gè)嵌入式單板計(jì)算機(jī)的總體供電原理見圖2。

圖2 供電實(shí)現(xiàn)原理框架

3 電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 電源芯片選型

嵌入式單板計(jì)算機(jī)中的供電方式主要有兩種，一種是開關(guān)電源，另一種是線性電源。開關(guān)電源就是利用MOSFET管的輪流導(dǎo)通和關(guān)斷實(shí)現(xiàn)供電，而線性電源則是通過工作在線性狀態(tài)的MOSFET管直接輸出供電。開關(guān)電源的主要工作原理就是上橋和下橋的MOSFET輪流導(dǎo)通，首先電流通過上管流入，利用線圈的存儲(chǔ)功能，將電能集聚在電感線圈中，最后關(guān)閉上管，打開下管，線圈和電容持續(xù)給外部供電，然后又關(guān)閉下管，再打開上橋讓電流進(jìn)入，就這樣以幾十KHz或幾百KHz的頻率重復(fù)進(jìn)行，輪流開關(guān)MOSFET管。由于開關(guān)電源能夠高效率的轉(zhuǎn)換電能，不會(huì)產(chǎn)生太多熱消耗，而線性電源正常工作時(shí)MOSFET管處于線性狀態(tài)，由于沒有開關(guān)的介入，即用不完的電能全部轉(zhuǎn)換成了熱能，因此線性電源的轉(zhuǎn)換效率就非常低，而且熱量高、元件的壽命下降快。因此在進(jìn)行電源設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)不同負(fù)載對(duì)電流的需求以及自身特點(diǎn)，選用合適的電源轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行電源設(shè)計(jì)是必要的。

在嵌入式單板計(jì)算機(jī)中，3.3VTTL或CMOS電平是的主要邏輯電平，同時(shí)3.3V還作為其它低電壓電源轉(zhuǎn)換器件的電壓輸入源，通過初步的估算和分析，整個(gè)模塊對(duì)該3.3V電源的電流需求約為5～6A；MPC8641D處理器的核心1.0V電壓典型情況下需要的電流為25A。對(duì)于需要大電流的負(fù)載采用開關(guān)電源進(jìn)行設(shè)計(jì)，尤其是處理器的核心電源采用多相供電電源以保障其穩(wěn)定性和可靠性。通過分析比較，采用TI公司的PTH08T240設(shè)計(jì)3.3V、2.5V的負(fù)載電源，采用LINEAD公司的高性能三相開關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片LTC3731設(shè)計(jì)處理器的內(nèi)核電源。而對(duì)于電流需求低于3A的1.8V 的 Flash、1.2V、0.9V 的端接電壓，可采用LDO器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)前芯片技術(shù)工藝的不斷改進(jìn)，LDO器件在體積不斷減小，輸出能力不斷提供，例如提供3A的電流器件已經(jīng)非常成熟，如TI公司的LDO芯片TPS74401。

3.2 Standby電源與隔離設(shè)計(jì)

Standby電源主要功能是提供上電控制器的電源，隔離其它電源輸入，保證上電控制器先于其它電路工作。當(dāng)系統(tǒng)工作加電時(shí)時(shí)，外部的直流12V和5V電源進(jìn)入到單板計(jì)算機(jī)，首先經(jīng)過一個(gè)電源轉(zhuǎn)換形成3.3V的Standby電源，使上電控制器先工作起來，而12V和5V電源則需要經(jīng)過一個(gè) “Hot Swap”隔離芯片，其使能由上電控制器進(jìn)行控制。Standby電源實(shí)現(xiàn)原理見圖3，隔離芯片選用MICREL公司的MIC2583，該芯片是一個(gè)單通道正向電壓熱插拔控制芯片，8腳SOIC封裝，需要很少的外部器件和一個(gè)N溝道MOSFET實(shí)現(xiàn)電壓隔離控制，廣泛應(yīng)用在嵌入式計(jì)算機(jī)板到帶電底板的熱插拔環(huán)境，并且?guī)в惺鼓芸刂乒δ?，可方便?shí)現(xiàn)輸入輸出的隔離與控制。

圖3 Standby電源設(shè)計(jì)

3.3 3.3V/2.5V電源設(shè)計(jì)

基于MPC8641D處理器的嵌入式單板計(jì)算機(jī)中邏輯電平為3.3V，網(wǎng)絡(luò)接口器件的工作電平為2.5V，協(xié)處理器FPGA的部分I/O也為2.5V電平。因此3.3V/2.5V主要為普通數(shù)字電路供電，對(duì)電源的紋波要求和動(dòng)態(tài)響應(yīng)不是非常苛刻，而整版對(duì)3.3V和2.5V的電壓電源的電流需求分別為5－6A、3～4A，TI公司的開關(guān)電源DC/DC模塊PHT08T240在一塊小PCB上集成了控制芯片、MOSFET管等器件，最大輸出電流可達(dá)10A，具有較寬電源輸入和高效性，體積只有24mm×16mm，通過外部的幾個(gè)電阻和電容就能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電源輸出。為了控制電源模塊的使能與禁止，將模塊電源的使能 （Inhibit）引腳連接一個(gè)開關(guān)電路，并將控制信號(hào)連接至上電控制器，由上電控制器實(shí)現(xiàn)關(guān)斷與使能，3.3V和2.5V輸出電壓可通過設(shè)置不同的調(diào)壓電阻實(shí)現(xiàn)，電阻選擇的公式為，當(dāng)輸出為3.3V 是 Rset＝1.21k，當(dāng)輸出為2.5V時(shí)Rset＝2.37k，詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)原理見圖4。

圖4 3.3V/2.5V電源設(shè)計(jì)

3.4 處理器的內(nèi)核電源設(shè)計(jì)

處理器是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心部分，也是最敏感的部件之一，而處理器的內(nèi)核電源是單板計(jì)算機(jī)的供電部分重中之重，必須保持穩(wěn)定、干凈。MPC8641D處理器的核心電壓為1.0V，需要的電流高達(dá)25A，對(duì)于一般的開關(guān)電源難以滿足要求，同時(shí)處理器核心電壓對(duì)紋波和高頻噪聲都有嚴(yán)格的要求，例如允許的電壓波動(dòng)范圍為0.95V～1.05V。LINEAD公司的控制芯片LTC3731一款三相電源輸出的、同步降壓型的開關(guān)控制器，每項(xiàng)的開關(guān)頻率從250 KHz～600KHz可調(diào)，具有良好的過載和輕載時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，其三相供電方式能夠提供相對(duì)穩(wěn)定的電壓，保證CPU負(fù)荷突然變化時(shí)，產(chǎn)生較小的電壓波動(dòng)。

基于LTC3731開關(guān)電源芯片開展電路設(shè)計(jì)時(shí)，為了有效的抑制尖峰的毛刺、高頻的雜波，提供干凈的電源環(huán)境，需要通過一定的計(jì)算，合理選擇外部器件如MOSFET管、電感和電容。首先根據(jù)負(fù)載對(duì)電流和電壓需要設(shè)置開關(guān)芯片的工作頻率，LTC3731開關(guān)芯片的最高工作頻率為600KHz，通?？梢栽O(shè)置在500～600KHz之間，因?yàn)殡S著開關(guān)頻率增加，MOSFET管的門電路充電損耗也將增加，從而降低電路的工作效率。電感的選擇直接影響到輸出電流的紋波，并且紋波電流的大小△I隨著電感值L、工作頻率f的增大而減小，而隨輸入電壓Vin和輸出電壓Vout的增大而增大，其數(shù)學(xué)關(guān)系式為處理器內(nèi)核電壓為1.0V，其電流需求約為25A，為確保在開關(guān)電流峰值時(shí)不飽和 （開關(guān)峰值電流要大于輸出電流3～4倍），所選的電感耐電流峰值應(yīng)該在60A以上，并且選擇鐵氧體的磁芯和直流電阻盡量小的電感，以減少開關(guān)過程中渦流損耗；由于多相開關(guān)電源芯片的每相電流輸出之間能夠?qū)y波進(jìn)行消減，因此三相電源相對(duì)于單相電源輸出具有很好抑制紋波。在確定了工作頻率和電感之后，需要選擇電流檢測(cè)電阻Rs，該電阻的兩端連接至芯片Sense±引腳，通過芯片內(nèi)部的電流比較放大器調(diào)整輸出電流的紋波，通常Rs采用低阻值、大功率的電阻，如0.002歐姆的功率電阻。對(duì)于外置N－MOSFET管則盡量選用導(dǎo)通等效電阻較小的器件，一般是10個(gè)毫歐姆以下的，耐壓值要滿足12V電源輸入，而與下MOSFET管組成續(xù)流回路的二極管必須采用快速的肖特基二極管，并且要滿足大于峰值電流為要求。電容應(yīng)選擇等效串聯(lián)電阻小（LOW ESR）的電解電容、瓷片式鉭電容，這可降低輸出紋波電壓。處理器內(nèi)核的電壓電源的設(shè)計(jì)電路原理框圖見圖5，其中通過一個(gè)二極管和電容設(shè)計(jì)了三相開關(guān)的自舉電路，保證芯片正常工作時(shí)外置的上邊MOSFET管的持續(xù)導(dǎo)通。

3.5 DDR2電源設(shè)計(jì)

MPC8641D處理器片上集成兩個(gè)DDR2內(nèi)存控制器，支持JEDEC標(biāo)準(zhǔn)x8、x16、x32的DDR2和DDR2存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。基于MPC8641D處理器的嵌入式單板計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)了1GB的DDR2存儲(chǔ)器，每個(gè)控制器采用4片x16的內(nèi)存顆粒構(gòu)成64bit 512MB存取容量。DDR2采用的是1.8V供電和0.9V的端接電源，由于DDR2內(nèi)存顆粒本身的功耗不高，對(duì)輸入電壓的有較高的要求。TPS744401是一款線性電源轉(zhuǎn)換芯片，能夠提供一種簡單可靠的供電，并且具有輸入使能控制和軟啟動(dòng)定時(shí)控制功能，可以由上電控制器進(jìn)行統(tǒng)一控制與管理；而0.9V端接電壓由TI公司的TPS51100轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)，DDR2內(nèi)存的電源設(shè)計(jì)電路圖見圖6。

4 上電控制器設(shè)計(jì)

上電控制器通常可以采用小型的單片機(jī)或可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)。采用可編程邏輯器件 （如CPLD）相對(duì)于單片機(jī)的設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的靈活性，通過硬件描述語言進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。例如，采用一片ALTERA的EPM240CPLD設(shè)計(jì)電源控制器，該CPLD采用3.3V供電，因此Standby電源設(shè)計(jì)為3.3V，該CPLD具有240個(gè)宏單元能夠滿足中等規(guī)模的控制算法。

單板計(jì)算機(jī)上所有電源轉(zhuǎn)換芯片都受到上電控制器的控制，具體實(shí)現(xiàn)是通過將每個(gè)電源轉(zhuǎn)換模塊的使能控制信號(hào)和電源輸出狀態(tài)Power Good信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路連接至CPLD的IO引腳，根據(jù)不同電源轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換時(shí)間等參數(shù)，初步確定電源上電時(shí)序，但由于每個(gè)電源模塊的轉(zhuǎn)換時(shí)間從幾百個(gè)皮秒 （ps）到幾十個(gè)毫秒 （ms）不等，并且每個(gè)電源芯片手冊(cè)中的理論值與實(shí)際電路存在差異，因此將電源轉(zhuǎn)換器件的電源輸出狀態(tài)信號(hào)Power Good引入控制器作為可選的觸發(fā)控制變量，設(shè)計(jì)定時(shí)器進(jìn)行精確的時(shí)間控制，并且通過多次的實(shí)際測(cè)試、對(duì)比，修改定時(shí)器的定時(shí)至，最終達(dá)到在20ms時(shí)間內(nèi)完成上電的要求?；贑LPD的上電控制器程序設(shè)計(jì)流程圖見圖7。

圖5 核心電壓電源設(shè)計(jì)

圖6 DDR2控制器電源設(shè)計(jì)

圖7 上電控制器軟件流程

5 結(jié)束語

雙核MPC8641D處理器憑借其較強(qiáng)的處理性能和豐富接口在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，為了滿足諸如此類基于高性能處理器的單板計(jì)算機(jī)電源設(shè)計(jì)，分析了處理器的上電時(shí)序和不同負(fù)載的功能，采用多種靈活的電源轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)了多種電源設(shè)計(jì)，并通過可編程器件CPLD實(shí)現(xiàn)了整版的上電時(shí)序控制，所設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)模塊能夠在較惡劣的環(huán)境中的穩(wěn)定可靠工作。

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