TMS320C6678 DSP的電源設(shè)計(jì)

吳敏杰，馮 起，袁乃昌

（1.南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

TMS320C6678 DSP是TI最新發(fā)布的一款基于KeyStone架構(gòu)的DSP[2]，芯片內(nèi)有8個(gè)內(nèi)核，工作速度可達(dá)10 GHz。隨著這款產(chǎn)品各方面的性能指標(biāo)增加，對(duì)電源供應(yīng)也提出了很高的要求，普通的穩(wěn)壓電源早已不能滿足。由于現(xiàn)在的信號(hào)處理板上大多需要多片DSP協(xié)同工作，所以在本設(shè)計(jì)中，以?xún)善?678DSP電源方案為例，將UCD9244作為電源的主要控制芯片，設(shè)計(jì)出的電源可同時(shí)滿足這兩片DSP的供電需求。

1 電源硬件電路設(shè)計(jì)與計(jì)算

1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

圖1是系統(tǒng)的組成框圖。采用統(tǒng)一的12 V電源進(jìn)行供電，DSP的內(nèi)核電壓由一片UCD9244和兩片UCD7242組成；經(jīng)過(guò)TPS54620產(chǎn)生的3.3 V電源可以為其他的電源電路供電；大部分的模塊電源需要經(jīng)過(guò)濾波網(wǎng)絡(luò)的處理，這樣做可以降低電源的紋波、噪聲，同時(shí)也可以很好地解決PCB布板帶來(lái)的其他干擾問(wèn)題。

雖然DSP不要求內(nèi)核電壓與IO之間有特殊的上電時(shí)序，但假如有某個(gè)模塊的電源處于錯(cuò)誤狀態(tài)時(shí)，得保證整個(gè)系統(tǒng)的所有電源都不在工作，否則，會(huì)嚴(yán)重影響器件的使用壽命與可靠性。所以，在本設(shè)計(jì)中，上電時(shí)序?yàn)镃VDD，VCC1V0，VCC1V8，VCC1V5，VCC0V75；其中 CVDD 與 VCC1V0的上電時(shí)序通過(guò)對(duì)UCD9244芯片進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，其他模塊的上電時(shí)序通過(guò)TPS3808系列芯片，前一級(jí)對(duì)后一級(jí)產(chǎn)生控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)。掉電時(shí)序和上電時(shí)序完全相反，這樣可以防止大量的靜態(tài)電流和器件過(guò)壓情況發(fā)生。

任何DC/DC變換器在開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)，工作頻率的選擇都是很關(guān)鍵的[6]。它主要取決于3個(gè)因素：最大效率，最小尺寸和閉環(huán)帶寬。工作頻率高，通常效率就低，設(shè)計(jì)尺寸小。綜合考慮，在本設(shè)計(jì)中，選擇750 kHz。

在設(shè)計(jì)的最后，為關(guān)鍵的電源供電部分添加了信號(hào)指示燈，若上電正常則可以使LED亮，它在電路中的作用主要是為了方便調(diào)試，同時(shí)，在電路上電不正常的時(shí)候可以馬上發(fā)現(xiàn)哪個(gè)模塊出錯(cuò)，從而可以很快地找到原因。

1.2 UCD9244控制電路

UCD9244[5]芯片是數(shù)字PWM控制器，能同時(shí)控制4路輸出，開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到2 MHz，采用PMBus v1.2標(biāo)準(zhǔn)。PMBus是電源管理總線，是從SMBus發(fā)展過(guò)來(lái)的，在數(shù)字通信總線上與電源轉(zhuǎn)換器進(jìn)行交流。圖2是UCD9244的控制電路圖，輸出電壓的調(diào)節(jié)主要有兩種方式，一種是通過(guò)VID接口，這種方式需要有DSP或者專(zhuān)用集成電路的控制，但本設(shè)計(jì)中本來(lái)就是作為DSP的電源，所以采用另一種調(diào)節(jié)方式——通過(guò)PMBus命令語(yǔ)句，對(duì)輸出電壓幅值進(jìn)行控制，這種方式也更為簡(jiǎn)單有效。為保證UCD9244整體工作，在工作電壓輸入端增加了旁路電容來(lái)減少電壓紋波，同時(shí)也對(duì)高溫、過(guò)流等異常情況增加了保護(hù)措施。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Frame of system composing

圖2 UCD9244控制電路Fig.2 UCD9244 control circuit

UCD7242是與UCD9244完全兼容的驅(qū)動(dòng)芯片，可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)獨(dú)立的電源，可以供應(yīng)CVDD（內(nèi)核電壓）與VCC1V0（SRIO、PCIE、SGMII和 HyperLink）。 通過(guò) 1片 9244控制兩片7242來(lái)達(dá)到為兩片DSP6678供電的目的。UCD7242電路中電感值的選擇很關(guān)鍵，根據(jù)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，電感值的計(jì)算可以通過(guò)下面這個(gè)公式?jīng)Q定：

式中：VIN為輸入電壓，VOUT為輸出電壓，fs為工作頻率，D為占空比，ΔI為電感電流峰峰值。在本設(shè)計(jì)中，VIN=12 V，VOUT=1 V，D=1/12，fs=750 kHz，ΔI=10 A， 可計(jì)算得電感 L≈0.122 μH。

1.3 3.3 V輔助電源電路

在整體的系統(tǒng)中，有些芯片是需要3.3 V的工作電壓的，比如TPS73701，為DSP IO供電；TPS51200作為DDR3的參考電壓。圖3為采用TPS54620[4]芯片作為電壓轉(zhuǎn)換芯片的電路，TPS54620的耐熱性能增強(qiáng)，功能齊全，支持高效率，集成了高側(cè)/低側(cè)MOSFETs，并且輸出電壓可以調(diào)節(jié)。在本設(shè)計(jì)中，用TPS54620產(chǎn)生了3.3 V和1.5 V的電壓。如圖3所示，輸出電壓為：

式中：R10、R11為分壓電阻，Vref為參考電壓，經(jīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)定R10=31.6 kΩ；R11=10 kΩ；Vref=0.8 V，可以得出輸出電壓 VO=3.3 V。

圖3 3.3V輔助電源電路Fig.3 3.3V auxiliary power supply circuit

1.4 時(shí)序控制電路

該時(shí)序控制電路主要是用來(lái)控制6678DSP的IO、DDR3參考電壓以及HyperLink、PCIE等上電時(shí)序的。以DVDD18先于DDR3_IO上電為例，電路原理圖如圖4所示，所用的芯片為T(mén)PS3808G18，只有 DVDD18=1.8 V時(shí)，RESET才會(huì)輸出一個(gè)高電平，從而可以驅(qū)動(dòng)下一級(jí)電路，這樣就保證了時(shí)序要求，值得注意的是，延遲時(shí)間是可以控制的，通過(guò)控制CT引腳與地之間的電容值就可以實(shí)現(xiàn)，參考公式為：CT（nF）=[tD（s）-0.5×10-3（s）]×175 （3）式中tD為設(shè)置的延遲時(shí)間。

圖4 時(shí)序控制Fig.4 Timing control

1.5 濾波網(wǎng)絡(luò)

在過(guò)去的DSP中，EMI濾波器（T型濾波器）用在那些易受噪聲影響的電源軌中，這些濾波器通常都是低通濾波器，這樣可以限制在每個(gè)相應(yīng)電源供應(yīng)的寄生耦合噪聲而不至于把直流分量濾除[1]。其實(shí)，在設(shè)計(jì)PCB板的時(shí)候，很多與DSP相關(guān)的問(wèn)題都是由于不注意EMI濾波器導(dǎo)致的。文中設(shè)計(jì)的濾波網(wǎng)絡(luò)主要是由旁路電容串聯(lián)磁珠，然后加上去耦電容組成的，這樣的設(shè)計(jì)在實(shí)際使用中效果很好。

2 軟件控制

TI公司針對(duì)UCD92xx系列芯片專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了Fusion Digital Power Designer軟件，因?yàn)閁CD92xx系列電源控制器內(nèi)部有專(zhuān)門(mén)的集成電路，同時(shí)還有Flash存儲(chǔ)器和一個(gè)串口，這樣通過(guò)該軟件就能方便地對(duì)UCD92xx芯片進(jìn)行配置、監(jiān)視和管理[3]，可以實(shí)現(xiàn)很多的功能，從而在很多方面能夠應(yīng)用。因?yàn)閁CD92xx系列芯片采用PMBus v1.2標(biāo)準(zhǔn)，所以對(duì)這類(lèi)芯片的操作必須使用PMBus命令語(yǔ)句，這款軟件的方便性就體現(xiàn)在為用戶(hù)在電腦上提供了很直觀的操作界面，而不用去管底層的PMBus命令語(yǔ)句，在操作界面中設(shè)置好了以后通過(guò)TI USB適配器下載到芯片中，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。同時(shí)，該軟件的另一個(gè)特色是幫助用戶(hù)創(chuàng)建電路原理圖，這樣在很大程度上可以減少開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的工作量，系統(tǒng)的可靠性也得到了保證。

在本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的電源為每一片DSP內(nèi)核提供的電壓為1 V，時(shí)序延遲0.3 ms。如圖6為rail 1設(shè)置的參數(shù)界面，其中，電源軌（power rail）1和 2是為第 1片 DSP服務(wù)的，電壓幅值均為1 V，rail 2比 rail 1延遲0.4 ms。剩下的 rail 3和rail 4是為第2片DSP服務(wù)的，其參數(shù)設(shè)置于第一片DSP完全相同，所以圖中只顯示了兩個(gè)rail，另外兩個(gè)與之重合。值得一提的是，UCD9244芯片的時(shí)序設(shè)置還可通過(guò)電壓跟蹤來(lái)實(shí)現(xiàn)，即后上電的電源軌可以跟蹤先上電的電源軌，這樣就自然滿足了時(shí)序的設(shè)置。在這里采用前一種方法的原因主要是在后續(xù)調(diào)試的時(shí)候可以通過(guò)示波器方便地觀察出波形的延遲是否和筆者的設(shè)計(jì)吻合。

另外設(shè)計(jì)中的電壓裕度也是符合要求的，因?yàn)镈SP 6678本身允許內(nèi)核電壓有5%的波動(dòng)。

圖5 Fusion Digital Power Designer參數(shù)設(shè)置界面Fig.5 Fusion Digital Power Designer parameters design interface

軟件設(shè)計(jì)的整體步驟是先決定采用的芯片型號(hào)，然后確定電源軌的數(shù)量，根據(jù)特定的用電設(shè)備分配相位（功率級(jí)），單相或者多相，接著是設(shè)置電源的工作參數(shù)，工作參數(shù)有很多，關(guān)鍵的有電壓幅值，時(shí)序，還有一些過(guò)壓及高溫保護(hù)的參數(shù)，然后是利用軟件幫助設(shè)計(jì)電路原理圖，接著看你設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果，要結(jié)合時(shí)域與頻域的情況，如果不滿意再修改，滿意之后保存為工程文件，最后通過(guò)TI USB適配器下載到芯片中即可。

3 電源功能仿真結(jié)果

圖6是電源芯片UCD9244的仿真結(jié)果，可以看出4個(gè)電源軌的輸出值均為1 V，滿足DSP的CVDD和VCC1V0的設(shè)計(jì)指標(biāo)，時(shí)序上對(duì)于同一片DSP，CVDD在VCC1V0之前上電，提前的時(shí)間為0.4 ms，掉電過(guò)程中，CVDD在VCC1V0之后掉電，延遲時(shí)間為0.4 ms。對(duì)于其余的供電電源其電壓幅值與上電時(shí)序在仿真的過(guò)程中也都符合要求。

圖6 UCD9244芯片電路仿真結(jié)果Fig.6 UCD9244 chip circuit simulation results

4 結(jié) 論

UCD9244芯片集成度很高，用它作為電源的控制芯片，效率高，電路簡(jiǎn)單，還能對(duì)小型化設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。Fusion Digital Power Designer軟件使用方便，直觀效果好。經(jīng)過(guò)一系列的仿真表明該電源系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可靠性高，各方面參數(shù)均達(dá)到預(yù)期要求，可以很好地為T(mén)MS320C6678 DSP供電。

[1]Texas Instruments Corp.Hardware Design Guide for KeyStone Devices[EB/OL].（2010）.[2012-02-20].http://www.ti.com/product/tms320c6678.

[2]Texas Instruments Corp.TMS320C6678 Multicore Fixed and Floating-Point Digital Signal Processor Data Manual[EB/OL].（2010）[2012-02-15].http://www.ti.com/product/.

[3]Texas Instruments Corp.Using the UCD92xx Digital Point-of-Load Controller Design Guide[EB/OL].（2011）.[2012-02-22].http://www.ti.com/analog/docs/litabsmultiplefilelist.tsp?literature Number=sluu490&docCategoryId=6&familyId=688.

[4]Texas Instruments Corp.TPS54620 Data Sheet[EB/OL].（2011）[2012-02-22].http://www.ti.com/product/tps54620.

[5]Texas Instruments Corp.UCD9244 Data Sheet[EB/OL].（2011）[2012-2-20].http://www.ti.com/product/ucd9244.

[6]葉惠貞，楊興洲.新穎開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1999.