摘要：为了满足信号处理中常用的DSP+FPGA系统设计要求，本文采用TPS54610设计了一个高效、稳定的电源电路，并根据电源加载的次序要求，设计成多电源顺序启动电路。关键词：TPS54610；DSP；FPGA；电源管理引言在信号处理系统中，由于计算速度和精度的要求，常采用高速DSP器件和大规模FPGA进行设计开发。在这类系统中，对电源模块的精度和供电电流要求很高，电源模块的设计将直接影响到整个系统的稳定性，因此，设计出高效、稳定的电源模块尤为重要。本文针对系统设计要求，采用同步降压DC/DC调整器TPS54610进行系统电源设计，并根据电源加载的次序要求，设计成多电源顺序启动电路，实际使用中该电源电路具有很好的使用效果。

DSP+FPGA系统电源要求系统核心处理器采用TI公司的数字信号处理器TMS320C6416T和Xilinx公司的Virtex4系列XC4VFX60 FPGA，内核电压和外围I/O电压分别为1.2V和3.3V；另外，系统数据缓存采用IDT公司的IDT70T3539M双口RAM，供电电压为2.5V，FPGA配置芯片XCF32P需要供电电压为1.8V，因此，系统中需要4种电源。同时，通过资料查阅和仿真估计，FPGA的最大电流为3A左右，DSP最大为1A，需要的电流比较大。最后考虑到DSP和FPGA在加电的过程中，要保证内核先供电，外围I/O后供电，否则可能导致输出端出现大电流，影响器件寿命甚至损坏器件。综合这三个方面的因素，本设计选用TPS54610系列产品来产生这4种电压。TPS54610简介TPS54610是专门为DSP、FPGA等多芯片、大电流系统供电而设计的一款低电压输入、大电流输出的同步降压DC/DC调整器，它内部含有30MW、峰值电流为12A的MOSFET开关管，输出电流6A，输出电压0.9V~3.3V可调，精确率达到1%，脉宽调制频率可调整；在功能上，具有限流、低压闭锁和过热关断电路，而且利用SS/ENA和PWRGD引脚可以设计启动时间和顺序启动电路，这些特点恰好满足了上述系统设计的需要。此外，它加强散热型的PWP封装为芯片提供了更好的散热。本系统采用4片TPS54610供电。

电路设计内核电压的产生TPS54610电路的设计应从开关频率、输入/输出滤波、反馈补偿网络和设置软启动时间这4个方面来考虑。采用TI公司的SWIFT Designer 辅助设计软件，可以方便地得到这些参数，减少了设计的难度。本系统内核电压为1.2V，电路如图1所示。此电路开关频率设置为700kHz，故应在RT和AGND引脚之间串联一个阻值为71.5kW的电阻，并保持SYNC引脚开路，其中，R和开关频率的换算公式为：R=(500kHz/开关频率)×100kW。输入电源的滤波和其它电源电路一样，主要是以减小纹波电压和旁路高频分量为目的，采用一个较大的电容(220mF)和较小的电容(10mF)配合使用，制板时电容的摆放应尽量靠近芯片；输出滤波由电感和电容共同完成，电感可在1mH~10mH之间取值，本设计采用4.7mH贴片电感。补偿网络的设计非常关键，图1中主要依靠RFP18和RFP17两个电阻组成分压网络，使输出电压为1.2V，其余电阻、电容构成环路补偿网络，元器件的选择方法很多，主要从输出电压值、带宽、纹波电压等方面考虑。设计时可以充分利用SWIFT Designer 辅助设计软件，它可以修改上述所有要求，以达到设计所需。设计时应注意：要确保电阻、电容使用标称值，同时，为了保证输出电压的准确性，建议使用精密电阻。软启动时间的设置通过SS/ENA引脚和一个低值电容接地获得，SS/ENA可以同时完成使能、输出延迟和电压上升延迟功能。其中，延迟时间和电容值成正比，近似为： 其中，td为输出延迟时间；Css为SS/ENA引脚所接电容；tss为输出电压上升延迟时间。本设计采用Css=0.01mF，td和tss分别为2.4ms和1.4ms。其它电压的产生及顺序供电电路的设计其它电压和内核电压的设计大体相同，主要就是输出电压值的不同，这点可以根据辅助设计软件设置分压网络中不同的电阻值得到。电路如图2、图3、图4所示。图1、图2、图3、图4就构成了整个系统的电源设计，通过PWRGD和SS/ENA两个引脚的级联使用，就可以完成顺序启动电路的设计。PWRGD引脚在当VSENSE端的电压高于输出电压的90%时输出为高，否则为低。SS/ENA引脚除了上述软启动功能之外，还具有输出使能的功能，提供控制器允许工作逻辑信号，当SS/ENA为高电平时，与外接电容配合可设置启动时间；为低电平时，芯片关闭，输出为0。当JFP6、8、10三根跳线连接时，就能达到顺序启动的效果。具体过程如下：外加5V电压后，根据SS/ENA外接电容计算，经2.4ms后，1.2V供电的TPS54610芯片开始启动，再经过1.4ms后，输出电压为1.2V，此时，PWRGD引脚由低电平变成高电平。由于该引脚和1.8V供电的TPS54610芯片的SS/ENA引脚相连，所以，在1.2V电压输出正常之前，供电1.8V的芯片输出一直为0，1.2V电压输出正常之后，供电1.8V芯片的SS/ENA引脚变成高电平。此后2.4ms，芯片开始启动。再经过1.4ms，输出电压为1.8V。此时，1.8V供电的TPS54610芯片的PWRGD引脚变成高电平，该引脚与2.5V供电芯片的SS/ENA引脚相连，只有等到1.8V正常输出之后，2.5V供电芯片才开始工作。同样，只有2.5V正常输出之后，3.3V的供电芯片才开始工作。这样，就形成了一个顺序启动的过程，也就保证了DSP和FPGA内核先供电、外围I/O后供电的需要。电源指示灯和其它设计根据上述顺序启动电路的特点，只有在所有电压都正常输出之后，3.3V供电的TPS54610芯片的PWRGD引脚才输出高电平，利用这个特点，设计如下的电源指示电路，如图5所示。电路正常输出之前，PG3V3为低电平，LED发光二极管达不到大于0.7V的偏压，不能发光；当电路正常输出，PG3V3为高电平时，LED发光二极管发光。这样就能更方便、直观地进行电路调试和系统电源工作状态的判别。此外，设计时最好在电源电路的输入和输出都设置跳线。输入跳线更有利于分开调试，当电路出现问题时方便查错。需要分级调试时，将这一级的输入接上，其它输入断开；需要电路整体工作时，将跳线都接上而不影响电路工作。输出跳线保证电源电路调试无误之后再加载到后级器件上去，以免由于电源问题损坏电路。

PCB设计注意点PCB设计时，除了需要注意PCB电磁兼容特性之外，还要考虑到TPS54610的特殊封装结构。为了解决TPS54610的散热问题，在其底部有一块PowerPAD区。制作PCB时应将芯片底部的PCB板表层放置在裸露的敷铜区，并且应该在该区域设置过孔，增加散热性能。该区域还应该与AGND相接，以增加电源的稳定性。敷铜区的放置方式如图6所示。

结语本文根据DSP+FPGA系统的要求，设计了基于TPS54610、具有4种电压输出的电源电路，并且构成多电源顺序启动电路。实际使用表明，该电路工作稳定，满足系统供电要求。该电路应用广泛，具体应用时，可以根据需要减少电压输出的种类，构成需要的电源设计；也可以修改分压网络的电阻值，得到所需的电压输出。■