一種實(shí)用的TMS320C6678供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

方波　趙靜　王進(jìn)華

摘要：針對(duì)TMS320C6678供電系統(tǒng)發(fā)熱量大，很難長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的問題，從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一種實(shí)用的TMS320C6678電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)在效率和功率方面實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，充分考慮功率消耗和熱量散發(fā)，在常溫下能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作，在電源輸出和消耗之間取得高效費(fèi)比平衡。上述優(yōu)點(diǎn)通過硬件平臺(tái)的測(cè)試得以驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：TMS320C6678;功耗;散熱;穩(wěn)定工作

中圖分類號(hào)：TN79 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1006-8228（2020）08-57-03

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，在單CPU系統(tǒng)不能滿足需求的情況下出現(xiàn)了越來越多的多CPU系統(tǒng)。多核CPU的出現(xiàn)，極大地簡(jiǎn)化了多CPU系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，降低了成本和功耗，因此多核CPU在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。TI公司的TMS320C6678是近年來應(yīng)用非常廣泛的高性能8核CPU，其在提供強(qiáng)大性能的同時(shí)，也因其供電系統(tǒng)復(fù)雜，電源種類多、功耗大給設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)?；赥MS320C6678的嵌入式系統(tǒng)在體積受到限制情況下，熱量難以散發(fā)，很難長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地工作，在封閉系統(tǒng)中尤其存在散熱難題。此時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是電源功率的匹配和散熱問題。電源系統(tǒng)在工作時(shí)，會(huì)受到多種因素的影響，輸出的電壓會(huì)隨著外部影響而發(fā)生波動(dòng)。如果輸出電壓的波動(dòng)范圍超過了系統(tǒng)所能承受的極限，系統(tǒng)會(huì)工作不正常，甚至發(fā)生故障。所以，在設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)時(shí)，不但要考慮電源設(shè)計(jì)的電壓是否滿足要求，同時(shí)也要考慮功耗匹配和散熱問題。

1 電源系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

CPU和DC/DC是嵌入式系統(tǒng)的兩大熱源。在設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)時(shí)，既要考慮到實(shí)際的消耗功率，又要考慮到DC/DC的轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)輸出功率很大而消耗功率很小時(shí)，散熱問題通常不嚴(yán)重，而消耗功率與輸出功率占比達(dá)到70%以上時(shí)，電源系統(tǒng)的發(fā)熱就會(huì)非常嚴(yán)重。因此，良好的電源系統(tǒng)是既要有足夠的余量來控制發(fā)熱，又要結(jié)合成本考慮不至于太浪費(fèi)，要在散熱和成本之間找到合理的平衡點(diǎn)。

1.1 供電需求

TMS320C6678芯片的供電需求非常復(fù)雜，相對(duì)于早期DSP（Digital Signal Processor）的3.3V IO電壓和1.2V Core電壓，TMS320C6678的供電種類多、電流大，對(duì)電壓的穩(wěn)定性需求高，給電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了很大的挑戰(zhàn)。將TMS320C6678的電源需求進(jìn)行歸納，其種類和功耗見表1[7]。

從表1可以看出，lV電壓的電流需求較大，總的理論功率達(dá)到了l3W，這是8核所有功能模塊都工作時(shí)的最大理論功耗。通常，內(nèi)核在工作時(shí)，會(huì)受限于總線的服務(wù)能力，所有模塊不可能同時(shí)滿負(fù)荷工作。例如，內(nèi)核工作在1.4GHz時(shí)，每個(gè)內(nèi)核的實(shí)際功率約320mW，8個(gè)內(nèi)核的總實(shí)際消耗功率約為320mW×8=2560mW[4]。此時(shí)，Activity Power的功率消耗約為3.34W，Baseline Power的功率消耗約為l4.66W，總的功率消耗為3.34W+14.66W=18W[2]。

1.2 時(shí)序控制的實(shí)現(xiàn)

TMS320C6678的供電種類多，上電順序有嚴(yán)格的要求，不按推薦的順序上電，可能會(huì)導(dǎo)致芯片工作不正常，常見的故障現(xiàn)象為無法連接仿真器。TMS320C6678推薦了兩種上電順序[3]：一種為核電壓起始的上電順序，CVDD>CVDDl.VDDTl-2>DVDDl8， AVDDl，AVDD2>DVDDl5，VDDRl-4>VREFSSTL;一種為10電壓起始的上電順序，DVDDl8， AVDDl， AVDD2> CVDD > CVDDl，VDDT1-2>DVDDl5，VDDRl-4>VREFSSTL。兩種上電順序沒有優(yōu)劣之分，本設(shè)計(jì)選用核電壓起始的上電順序，上電時(shí)間間隔設(shè)計(jì)為lOms，具體的上電順序設(shè)計(jì)見圖1。

TMS320C6678的上電設(shè)計(jì)是在FPGA配置完成以后，這樣設(shè)計(jì)的好處有二：一是可用FPGA控制DSP的上電順序[6]，無需增加額外的控制電路;二是DSP的配置管腳可由FPGA來控制，F(xiàn)PGA先處于就緒狀態(tài)能確保DSP配置正確。由于電源空載時(shí)電壓能很快從OV爬升到設(shè)計(jì)值，而帶負(fù)載時(shí)電壓爬升的時(shí)間將延長(zhǎng)，為確保設(shè)計(jì)電壓能有序達(dá)到設(shè)計(jì)值，避免前一個(gè)電壓還處于上升過程中，后一個(gè)電壓先達(dá)到設(shè)計(jì)值，所以各電壓上電的時(shí)間間隔設(shè)置為lOms。

1.3 芯片的選型與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)一次電源為DC28V，采用PowerGood公司的DC/DC轉(zhuǎn)換器ESCN036120將DC28V轉(zhuǎn)換為DCl2V。ESCN036120能在89%的效率下實(shí)現(xiàn)50W的功率輸出。在整機(jī)功率接近30W時(shí)，一次電源的功耗占比為60%，滿足降額設(shè)計(jì)的要求。根據(jù)表l的需求，TMS320C6678整體的供電配置設(shè)計(jì)如圖2[1]所示。TI推薦的電源設(shè)計(jì)多處用到了TPS73701等線性電源LDO.LDO在工作當(dāng)中會(huì)散發(fā)大量的熱量，長(zhǎng)時(shí)間工作熱量容易聚集而導(dǎo)致溫度過高，進(jìn)而發(fā)生輸出電壓跌落。因此，實(shí)用級(jí)設(shè)計(jì)中要盡量避免使用LDO。

1.3.1 CVDD的可變核電壓和CVDD1設(shè)計(jì)

常見的CVDD實(shí)現(xiàn)方案有兩種：一種是模擬實(shí)現(xiàn)方案LMlOOll+TPS56121; -種是數(shù)字實(shí)現(xiàn)方案UCD9222+UCD7242。綜合布局和設(shè)計(jì)復(fù)雜度考慮，選模擬實(shí)現(xiàn)方案布局布線更加簡(jiǎn)潔。其工作原理為：LMlOOll接收TMS320C6678 VCNTL[0：3]接口發(fā)送的VID碼，然后通過IDAC_OUT引腳調(diào)整TPS56121的FB反饋端電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)TPS56121的SW輸出端，以達(dá)到調(diào)節(jié)CVDD供電電壓的目的。TPS56121是一款輸入電源電壓在4.5V與14V之間的高效率大電流同步降壓轉(zhuǎn)換器，輸出電流高達(dá)l5A，典型的轉(zhuǎn)換效率為90%，參考電壓的精度為1%，可滿足CVDD要求，其具體設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

TPS56121輸出電壓的計(jì)算公式為Vout（SW）=V FE（1+R1/R2），輸出電壓可通過Rl和R2調(diào)節(jié)。當(dāng)匹配電阻設(shè)定以后，還可通過改變FB端的電壓，來調(diào)節(jié)SW輸出電壓。由于CVDD電壓是在1V上下變化，所以初始狀態(tài)按照輸出電壓為1V設(shè)計(jì)。VFB端的初始電壓為0.6V，匹配Rl=20k，R2=30k高精度電阻實(shí)現(xiàn)TPS56121的lV輸出。LM10011根據(jù)TMS320C6678 VCNTL[0：3]接口發(fā)送的VID碼來調(diào)節(jié)IDAC_OUT端的電壓，以此來調(diào)節(jié)V OUT（SW）的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)電壓可變。

為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和減少芯片的使用種類，CVDDl的固定1V電源也由TPS56121實(shí)現(xiàn)。

1.3.2 DVDD18和DVDD15設(shè)計(jì)

固定l.8V電源采用高精度開關(guān)電源TPS54622設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。TPS54622采用N溝道MOSFETs輸出，具有4.5V到l7V寬輸入電壓范圍，最低0.6V的電壓輸出，可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)l.8V 6A輸出，開關(guān)頻率范圍在200KHz-1600KHz可調(diào)。0.6V的VRE，電壓參考精度為1%，在0.594V-0.606V之間。輸出電壓可按Vo （PH）=VREF（1+R1/R2）計(jì)算，通過調(diào)整匹配電阻Rl和R2的阻值實(shí)現(xiàn)1.8V輸出。輸入電壓為12V時(shí)，輸出l.8V根據(jù)公式1.8V=0.6V（1+R1/R2）可得到Rl和R2的阻值，選擇1%高精度的匹配電阻實(shí)現(xiàn)高精度1.8V電壓輸出。

為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和減少芯片的使用種類，DVDDl5的固定1.5V電源也由TPS54622實(shí)現(xiàn)。VREFSSTL的電流需求很小，因此其0.75V電源由l.5V通過高精度分壓電阻實(shí)現(xiàn)[1]。

2 電源系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)

一次電源ESCN036120發(fā)熱量較大，應(yīng)和電源濾波器一起放置在金屬機(jī)箱側(cè)壁，串聯(lián)放置并且盡量接近以縮短DC/DC與濾波器的連線長(zhǎng)度，12V輸出通過0. 2mm2導(dǎo)線引入PCB，導(dǎo)線不能繞圈且盡量以直線傳輸。ESCN036120進(jìn)線應(yīng)靠近VIN并且進(jìn)線盡量短，防止電磁輻射干擾。

PCB印制板方面，TMS320C6678引腳多達(dá)841個(gè)，綜合布線和散熱考慮，PCB設(shè)計(jì)為12層，即為TOPLayer -L2 GND-L3信號(hào)層-L4 POWER-L5信號(hào)層-L6 GND-L7 GND-L8信號(hào)層-L9 POWER-L10信號(hào)層-L11 GND- BOTTOM Layer[5]。電源層需要傳輸大電流，采用l05um銅層厚度，地層需要傳遞熱量同樣采l05um銅層厚度。PCB定位孔采用金屬化孔并盡量增加孔壁的厚度，并將GND引入定位孔，定位柱采用實(shí)心銅柱。在整機(jī)無其他制冷方式時(shí)，應(yīng)盡量增加外機(jī)箱的散熱面積，室內(nèi)溫度應(yīng)控制在25℃以下。在封閉環(huán)境使用時(shí)，還應(yīng)該增加導(dǎo)熱膠和導(dǎo)熱板設(shè)計(jì)。

焊接方面，由于TPS56121和TPS54622發(fā)熱量大，TI公司為芯片設(shè)計(jì)了金屬散熱片。在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，TPS56121和TPS54622都應(yīng)在PCB焊接面設(shè)計(jì)散熱銅片，銅片的大小應(yīng)超過芯片面積并且solder開窗，開窗的面積不應(yīng)超過芯片的面積，芯片的Thermal Pad應(yīng)和散熱銅片進(jìn)行良好的焊接。為防止焊接時(shí)焊錫進(jìn)入過孔灌入印制板BOTTOM Layer，在焊接位置不應(yīng)打孔，接地孔應(yīng)打在芯片的兩側(cè)并且為通孔，在滿足布線要求的情況下應(yīng)增加孔徑和孔的數(shù)量。

芯片布局方面，TPS56121（1V可變），TPS56121（1V），TPS54622（1.8V）.TPS54622（1.5V）不能放置在相鄰位置，以免熱量過快聚集。理想的布局是4個(gè)轉(zhuǎn)換器分別靠近4個(gè)PCB定位孔，以便能將熱量快速的通過實(shí)心金屬定位柱導(dǎo)出。

3 結(jié)論

本文從工程實(shí)踐的角度出發(fā)，綜合多年的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了TMS320C6678可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的供電系統(tǒng)。在充分考慮功率消耗的前提下，設(shè)計(jì)了與之匹配的并具有良好散熱性能的實(shí)現(xiàn)方案。經(jīng)過硬件平臺(tái)驗(yàn)證，在22℃室溫下單機(jī)溫度穩(wěn)定在42℃，低于商業(yè)級(jí)芯片70℃的極限工作溫度，工作穩(wěn)定可靠，無異常情況發(fā)生，為系統(tǒng)級(jí)軟件開發(fā)提供了穩(wěn)定的硬件平臺(tái)。該供電系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于TMS320C6678各種嵌入式系統(tǒng)，并且可擴(kuò)展為多CPU供電系統(tǒng)。

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作者簡(jiǎn)介：方波（1978-），男，四川簡(jiǎn)陽人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。