基于TPS759XX 多片信号处理系统的电源设计

　　摘要首先介绍了TPS759XX系列DC-DC电压调节器的结构和功能，然后阐述了多芯片信号处理系统电源设计的方法以及在PCB板设计中应注意的问题，给出了多片系统供电电源的实现电路图供读者参考。
　　关键词;LDO；电压调节器；TPS759XX；多芯片系统
1    引言

　　在大型的通信信号处理系统和雷达信号处理系统中，随着器件的规模不断扩大，对电源的性能和功率及其外围滤波电路的要求也越来越高，电源设计对于一个系统的能否正常工作起着至关重要的作用。
　　在实际应用中，通常利用线性电源或者开关电源给整个系统供电，而对于每一块独立的电路板上的每一个集成芯片则需要DC-DC电压调节器分别调节后供电。其中线性调节器的输入电流接近于输出电流，它的效率（输出功率/输入功率）接近于输出/输入电压比。因此，压差是一个非常重要的性能，因为更低的压差意味着更高的效率。LDO（LowDropout）线性电压调节器的低压差特性有利于改善电路的总体效率，这里所介绍的TPS759XX就是LDO线性电压调节器。
2    TPS759XX系列电压调节器概述

　　TPS759XX系列是TI公司专门为DSP、ASIC和FPGA等多芯片系统供电而设计的LDO线性稳压器，图1是电路简化原理框图。TPS759XX共有5个引脚，VIN是输入电压，VOUT是输出电压，FB是电阻配置引脚，GND是数字地，EN是调压使能引脚。

图1    TPS759XX系列电压调节器原理图
TPS759XX系列电压调节器的主要特性如下：
(1)输出电流7.5A，是TI公司TPS系列线性电源输出电流之一，因此特别适用于ADSP这类需要大电流驱动的芯片。
(2)可以提供固定1.5V、1.8V、2.5V、3.3V等典型电压，对于特殊的电压要求情况下，输出可调节（TPS75901），可以通过串联适当阻值的电阻来获得需要的电压值。
(3)可快速响应线性电压和负载电流的瞬态变化,在某些应用中，通常要求DSP、MPU、MCU和PLD必须迅速从省电的睡眠和待机状态进入全工作模式。该系列LDO足以满足上述应用的需要。
(4)Dropout电压很低，大约几百毫伏，输出电流成正比。静态电流很低，而且与输出负载无关。(5)推荐工作条件是输入电压为2.8~5.5V，输出电压为1.22~5V，输出电流为0~7.5A，工作温度TJ保证在-40~125℃范围内。
3    信号处理系统的板级电源设计

　　设计中的信号处理系统电路板由外部统一提供5V和3.3V直流电源，电路板上的主要集成芯片包括1片CPLD/FPGA，5片DSP芯片，1片A/D和1片D/A转换芯片，时钟晶振及时钟驱动和输出驱动等。对于5V和3.3V模拟电压和数字电压直接由板外部供给；而对于CPLD/FPGA和DSP通常有一种以上的供电要求。采用Altera公司的FPGAEP1K100，它的输入输出供电电压是3.3V，内核供电电压为2.5V，总负载电流小于1A；采用AD公司的DSP芯片ADSPTS101，其供电电压和电流的要求见表1，有至少两种的电源要求。在选择电压调节器时一定要知道输出电压和负载电流，多芯片系统中，由于所需驱动电流较大，因此只有TPS759XX这类大电流输出电压调节器能满足要求。对于具有5片DSP芯片的系统，当DSP满负荷工作时的电流约为6.1A。考虑信号处理系统所需，通过电压调节器变压得到的电压应是2.5V和1.2V，总负载电流小于7.5A，一片TPS75901（或者TPS75925）就可以满足需要。若总负载电流大于7.5A时要增加TPS759XX，否则将影响芯片的正常工作。

4    信号处理系统中TPS759XX应用配置考虑

4.1    对于输出电压可调节情况的电阻配置
　　对于固定输出的TPS75915(VO=1.5V)、TPS75918(VO=1.8V)、TPS75925(VO=2.5)、TPS75933(VO=3.3)不需要配置电阻，对于输出可调节的TPS75901则需要配置外部电阻来得到需要的输出电压。图2所示是TPS95901典型应用电路。

图2    TPS75901电压调节器典型应用电路
　　输出固定情况下，FB（PG）引脚用于指示输出电压的状态。输出可调节情况下，FB引脚用于电压反馈输入引脚，在VO和FB之间配置电阻可以获得所需电压。输出电压利用下式计算：VO=Vref（1+R1/R2）这里内部参考电压Vref=1.224V。选择电阻R1和R2应该保证分压电流大约40μA。推荐选择R2=30.1kΩ，R1根据输出电压的给定值来确定。R1的取值可由下面的式子计算而得：R1=(VO/Vref-2)R2。
4.2    滤波电容
　　为了保证输入的稳定性，在输入电压和地之间要连接瓷片电容（0.22~1μF），并且要尽量靠近输入电压引脚安装。由于电源本身存在阻抗，会引起输入电压下降，当降到一定程度，TPS759XX将停止工作，因此和瓷片电容并联一大电解电容，电容值的范围为47~1000μF。
5    信号处理系统PCB板电源设计考虑
        
　　所有的集成电路都有一个允许的节点温度，超过运行节点温度，器件将不能正常工作，LDO线性电压调节器也不例外。系统设计者必须考虑运行环境使运行节点温度不超过运行节点温度。通常情况下，线性调节器的功率可以通过以下的公式计算出来：
PDmax=（VI(avg)-VO(avg)）IO(avg)+VI(avg)×I(Q)（1）
式中：
VI(avg)为平均输入电压；
VO(avg)为平均输出电压；
IO(avg)为平均输出电流；
I(Q)为静态电流
　　对于大部分TI的LDO调节器，与平均输出电流相比，静态电流可以忽略。因此式（1）的后一项可以忽略。运行节点温度等于环境温度与调节器功耗引起的温度增加之和。温度增加可以由下面的公式计算而得。公式如下：
TR=PDmax×（RJC+RCS+RSA）(2)
TJ=TA+TR(3)
式中：TA为环境温度；TR为调节器功耗引起的温度增加；TJ为工作温度式（2）中（RJC+RCS+RSA）项与封装形式和散热器有关。工作温度TJ要限制在-40~+125℃范围内，因此散热问题必须考虑。TPS759xx系列有两种封装形式。对于TO-220封装形式，通过打孔和贴装散热片提供了一种有效的散热方式；对于TO-263封装形式，通过增大引脚的敷铜面积散热效果好。一种通过增大引脚敷铜面积散热的封装示意图如图3所示。

图3    参考封装
　　在进行PCB板设计过程中，电源要单独置于一层，电源层应采用电源分割的形式，每个芯片每种电源分别分割成不同的电源块，电流流入处要放置大的过孔，且大面积敷铜。电源分割宽度和所置过孔的规格应根据电流的大小来确定，表2中所示是标准条件下，安全工作载流量对照表。

        
　　已知敷铜厚度的情况下，可以计算出对应电流的分割宽度或者孔径及孔数目，根据计算结果分割和打过孔。例如，设敷铜厚度h=0.04mm，电流I=3A，计算分割宽度w。根据表2中的数据，对应截面积应该是0.14mm2，则w=0.14/0.04=3.5mm，电源分割时的宽度应大于此值。
6    信号处理系统的供电系统实现

　　对于压差较小的情况，可以降压，降到所要求的电压，比如由3.3V降到2.5V，这种情况相对简单，只需配置适当的输入输出滤波网络即可；对于压差较大的情况，可以采用分级降压的方式，这种方式可以减小电流损耗，提高调节器的工作效率，同时避免功率过高引起调节器温度过高。图4所示是信号处理系统板级供电电源实现框图。图5是实现电路图。

图4 信号处理系统板级供电电源实现框图 
　　对于多芯片系统，采用各个芯片分别供电的方式，级可以采用TPS75901或者TPS75925，电压由3.3V降到2.5V，为了说明电阻配置方法，这里采用TPS75901，为了保证，用一个固定电阻R1和一个可变电阻RP1通过适当调节得到2.5V，根据前面所述计算方法，可变电阻应调节到61.479kΩ。第二级根据板上芯片的多少，配以对应数量的小电流调节器REG1117A分别降压到1.2V，5片ADSP要用到5片REG1117A，由于篇幅所限，图中只给出2片的情况，其余相同。输出的1.2V再通过不同的滤波网络为DSP提供1.2V的模拟电源和数字电源。滤波电容的配置电路图中已详细给出，PCB设计时每个电源引脚附近还要放置去耦电容。图中供电系统的实现方法在实际应用中性能良好。

图5    信号处理系统板级供电电源参考电路图

参考文献:

[1]. PCB datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.
[2]. TPS datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TPS_1175727.html.
[3]. TPS75901 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TPS75901_1116033.html.
[4]. TPS75925 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TPS75925_1116031.html.
[5]. TO-220 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TO-220_656183.html.
[6]. TO-263 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TO-263_656188.html.
[7]. REG1117A datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/REG1117A_576592.html.