基于DSP电源系统的低功耗设计
自从美国ti公司推出通用可编程dsp芯片以来，dsp技术得到了突飞猛进的发展。dsp电源设计是dsp应用系统设计的一个重要组成部分，低功耗是dsp电源系统设计的发展方向。由于dsp一般在系统中要承担大量的实时数据计算，在cpu内部，频繁的部件转换会使系统功耗大大增加，降低dsp内部cpu供电的核电压是降低系统功耗的有效方法，因此ti公司的dsp大多采用低电压供电方式。
从一定程度上说，选择什么样的dsp就决定系统处于什么样的功耗层次。在实际应用中，电源系统直接决定了dsp能否在高性能低功耗的情况下工作，因此，一个稳定而可靠的电源系统是至关重要的。
ti公司最新推出的tps6229x系列开关电源芯片有两种工作模式：pwm模式和节能模式。在额定负载电流下，芯片处于pwm模式，高效稳定的为dsp供电，当负载电流降低时，芯片自动转入节能模式，以减小系统功耗，适宜于dsp系统的低功耗设计，本文主要介绍了该芯片的特点，并给出了基于此芯片的dsp电源电路。
ldsp电源特点
1．1电源要求
ti公司的dsp需要给cpu、flash、adc及i／o等提供双电源供电，分别为1．8v或2．5v核电源和3．3v的i／o电源，每种电源又分为数字电源和模拟电源，即数字1．8v(2．5v)、模拟1．8v(2．5v)，数字3．3v，模拟3．3v。相对与模拟电源和数字电源，也要求有模拟地和数字地。数字电源与模拟电源单独供电，数字地与模拟地分开，单点连接。
dsp大多采用数字电源供电，可以通过数字电源来获得模拟电源，主要有两种方式： (1)数字电源与模拟电源、数字地与模拟地之间加电感或铁氧体磁珠构成无源滤波网络。铁氧体磁珠在低频时阻抗很低，在高频时很高，可以抑制高频干扰，从而消除数字电路的噪声。 (2)采用多路稳压器。方法(1)结构简单，能满足一般的应用要求，方法(2)有更好的去耦效果，但电路复杂成本高。
1．2 供电次序
ti公司dsp采用双电源供电，因此，需要考虑上电、掉电顺序。大部分dsp芯片要求内核电压先上电，i／o电压后上电。因为如果只有cpu内核获得供电，周边i／o没有供电，对芯片不会产生损害，只是没有输入输出能力而已；如果周边i／o获得供电而cpu内核没有加电，那么dsp缓冲驱动部分的三极管处于未知状态下工作，这是很危险的。但是也有要求i／o电压先上电，内核电压后上电，如tms320f2812。
在设计不同dsp芯片的电源系统时，要根据其不同的电源特点，否则可能造成整个电源系统的损坏。
2 tps62290芯片介绍
2．1 芯片特点
tps62290是ti公司最新推出的高效率同步降压dc／dc转换器，应用于手机、掌上电脑、便携式媒体播放器以及低功耗dsp电源设计中，其主要有以下特点：
输出电流高达1000ma
输入电压范围为2．3～6v
固定工作频率为2．25mhz
输出电压误差范围为一1．5％～1．5％
轻载下采用节能模式
静态电流约15μa
最大占空比为100％
芯片采用2×2×0．8mm son封装
图l是tps62290封装图，各引脚功能如表l所示。
2．2工作原理
tps62290降压调整器有两种工作模式：pwm模式和节能模式。当负载电流增大时，工作于pwm模式，当负载电流减小时，自动转入节能模式以减小系统功耗。
在pwm模式下，tps62290使用独特的快速响应电压控制器将输入电压供给负载，在每个周期的开始触发高压mosfet开关管，电流从输入电容经过高压mosfet开关和电感流向输出电容和负载。这一阶段，电流逐渐上升，当上升到pwm的极限电流时触发比较器，关闭高压mosfet开关管。当高压mosfet开关管的电流过大时也会触发电流极限比较器将其关闭。经过一段死区时间，低压mosfet整流器工作，电感电流逐渐降低，电流从电感流向输出电容和负载，通过低压mosfet整流器再流回电感中。在下个周期开始时，时钟信号又关闭低压mosfet整流器并且打开高压mosfet开关管，如此循环往复。
当mode引脚置为低电平时，tps62290工作于节能模式。当负载电流减小时，也会自动转入节能模式。当工作于节能模式时，其工作频率会降低，负载电流接近静态电流，输出电压会比正常工作的输出电压高大约1％。此时，输出电压会受到pfm比较器的监视，一旦输出电压降低，器件发出一个pfm电流脉冲，触发高压mosfet开关管，使电感电流上升。当定时结束时，高压mosfet开关管关闭，低压mosfet开关管工作，直到电感电流为零。
tps62290有效地将电流传递给输出电容和负载。如果负载电流降低，则输出电压会上升，如果输出电压等于或是高于pfm比较器的极限电压，芯片将停止工作进入睡眠模式，此时电流约为15μa，整个电源系统的功耗达到最低。
2．3 可调输出电压原理
tps62290的电压输出范围为0．6v～uin(uin为输入电压)，通过外接一个电阻取样网络实现输出电压的调整。其连接方法如图2所示。
可调输出电压可由下式计算得到：
其中uref=0．6v(内部基准电压)，为了减小反馈网络的电流，r2的值为l80kω或是360kω，r1与r2的和不能超过lmω，以抑制噪声。外部反馈电容c1必须具有良好的负载瞬态响应特性，其取值范围为22～33pf。电感l的取值为1．5～4．7μh，输出电容的取值范围4．7～22μf。在pcb布线时，连接fb引脚的线路要远离噪声源，以减少干扰。
2．4输出滤波器设计
tps62290外接电感的取值范围为1．5～4．7μh，输出电容的取值范围为4．7～22μf，最优工作状态下，电感为2．2μh，输出电容取10μf。不同的工作状态，电感和电容的最佳取值不同。为了工作稳定，电感取值不得低于1μh，输出电容不得低于3．5μf。
(1)电感的选择
电感的取值直接影响到浪涌电流的大小。电感的选择主要依据是dc阻抗和饱和电流。电感的浪涌电流随着感应系数的增加而减小，随着输入和输出电压的增加而增加。在pfm模式下，电感也会影响到输出电压的波动。电感取值大，输出电压波纹小，pfm频率高，电感取值小，输出电压波纹大，pfm频率低。
可以根据下式确定电感的大小：
其中f-开关频率(2．25mhz)、l一电感值、 ail一波峰电流、ilmax一最大电感电流实际中常用的方法是：将tps62290的最大开关电流作为电感电流额定值，带入上式，算出电感大小。
(2)输出电容的选择
tps6229x系列芯片的输出电容推荐使用陶瓷电容，因为低esr的陶瓷电容可以抑制输出电压波纹，电介质选用x7r或x5r。在高频情况下，若采用y5v和z5u电介质的电容，其电容值随温度的变化而变化，不宜采用。
在额定负载电流下，tps62290工作在pwm模式下，rms电流计算如下：
在轻载电流下，调整器工作于节能模式，输出电压峰值取决于输出电容和电感的大小，大容量的电容和电感可以减小输出电压峰值，以平滑输出电压。
3电路设计
dsp双电源解决方案如图3所示。关于此电路的几点说明：
1)电压输入端接电容值为10μf的陶瓷电容(c1、c2)，减小输入电压的波动。
2)电压输出端接陶瓷电容(c5、c6、c7、c8)，其电容值的选取参见本文2．4节。
3)u1的使能端接+5v高电平，上电输出1．8v电压，供给dsp内核。
4)u2的使能端接1．8v电压，当ul输出1．8v电压时使能u2输出3．3v电压，供给dsp的i／o，这样就实现了核电压先上电，i／o电压后上电。
5)1．8v和3．3v数字电压分别通过铁氧体磁珠l3、l4进行滤波，从而输出1．8v和3．3v的模拟电压。
6)电阻r1、r2、r3、r4、c3、c4的取值参加本文2．3节。
7)电感l1、l2的取值参加本文2．4节。
8)mode引脚接地，芯片工作于节能模式，功耗降低。
4结论
dsp复杂的电源系统对供电要求越来越高，如何在保证dsp高性能稳定工作的条件下，降低dsp系统的功耗是一个需要解决的问题。本文介绍了ti公司最新推出的适合dsp低功耗电源系统设计的开关电源芯片，并设计了基于该芯片的双电源方案，满足dsp系统要求的上电顺序。
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dsp大多采用数字电源供电，可以通过数字电源来获得模拟电源，主要有两种方式： (1)数字电源与模拟电源、数字地与模拟地之间加电感或铁氧体磁珠构成无源滤波网络。铁氧体磁珠在低频时阻抗很低，在高频时很高，可以抑制高频干扰，从而消除数字电路的噪声。 (2)采用多路稳压器。方法(1)结构简单，能满足一般的应用要求，方法(2)有更好的去耦效果，但电路复杂成本高。
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2．1 芯片特点
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静态电流约15μa
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图l是tps62290封装图，各引脚功能如表l所示。
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tps62290降压调整器有两种工作模式：pwm模式和节能模式。当负载电流增大时，工作于pwm模式，当负载电流减小时，自动转入节能模式以减小系统功耗。
在pwm模式下，tps62290使用独特的快速响应电压控制器将输入电压供给负载，在每个周期的开始触发高压mosfet开关管，电流从输入电容经过高压mosfet开关和电感流向输出电容和负载。这一阶段，电流逐渐上升，当上升到pwm的极限电流时触发比较器，关闭高压mosfet开关管。当高压mosfet开关管的电流过大时也会触发电流极限比较器将其关闭。经过一段死区时间，低压mosfet整流器工作，电感电流逐渐降低，电流从电感流向输出电容和负载，通过低压mosfet整流器再流回电感中。在下个周期开始时，时钟信号又关闭低压mosfet整流器并且打开高压mosfet开关管，如此循环往复。
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(1)电感的选择
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可以根据下式确定电感的大小：
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3电路设计
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1)电压输入端接电容值为10μf的陶瓷电容(c1、c2)，减小输入电压的波动。
2)电压输出端接陶瓷电容(c5、c6、c7、c8)，其电容值的选取参见本文2．4节。
3)u1的使能端接+5v高电平，上电输出1．8v电压，供给dsp内核。
4)u2的使能端接1．8v电压，当ul输出1．8v电压时使能u2输出3．3v电压，供给dsp的i／o，这样就实现了核电压先上电，i／o电压后上电。
5)1．8v和3．3v数字电压分别通过铁氧体磁珠l3、l4进行滤波，从而输出1．8v和3．3v的模拟电压。
6)电阻r1、r2、r3、r4、c3、c4的取值参加本文2．3节。
7)电感l1、l2的取值参加本文2．4节。
8)mode引脚接地，芯片工作于节能模式，功耗降低。
4结论
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