基于TPS759XX系列的信号处理系统的电源设计

引言
在大型的通信信号处理系统和雷达信号处理系统中，器件规模不断扩大，对电源的性能和功率及其外围滤波电路地要求也越来越高，电源设计对于一个系统的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。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线性稳压器的低压差特性有利于改善电路的总体效率，本文采用的就是LDO线性稳压器。

信号处理系统的
板级电源设计
某信号处理电路板由外部统一提供+12V和+5V直流电源，电路板上的主要集成芯片包括A/D和D/A转换芯片、时钟晶振及时钟驱动、输出驱动、CPLD(或FPGA)以及DSP芯片等。
对于模拟部分，利用+12V直流电源经过电压调节器转化成+5V和+3.3V电压。对于CPLD(或FPGA)和DSP通常有一种以上的供电要求：对于CPLD(或FPGA)，一般输入/输出供电电压是+3.3V，内核供电电压为2.5V；对于DSP，以ADI公司的DSP芯片ADSP TS101为例，其对供电电压和电流的要求如表1所示。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。

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，其主要特性如下：
输出电流为7.5A，属于TI公司TPS系列线性电源中输出电流的之一，因此特别适用于ADSP这类需要大电流驱动的芯片。
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，输出可调节，可以通过串联适当阻值的电阻来获得需要的电压值。
使能引脚EN低电平有效，如输入TTL高电平信号，则调节器进入睡眠方式，静态电流减小到1mA。
Dropout电压很低，大约几百毫伏，大小与输出电流成正比。静态电流很低，且与输出负载无关。

TPS759XX应用配置考虑
电阻
TPS759XX系列电压调节器的典型应用电路如图1所示。输出固定时，FB(PG)引脚用于指示输出电压的状态；输出电压可调节时，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。
对于可编程的TPS759XX系列，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为40mA。推荐选择R2=30.1kW，R1根据输出电压的给定值来确定：
R1=(VO/Vref-2)R2
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(0.22~1mF)，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，当降到一定程度时，TPS759XX将停止工作，因此和瓷片电容并联一大电解电容(电容或者铝电容)，电容值的范围为47~1000mF。

PCB板设计考虑
LDO线性调节器产生的热量与它在工作过程中做的功成正比。所有的集成电路都有一个允许的节点温度，超过此温度，器件将不能正常工作。所以，系统设计者必须考虑运行环境，使运行节点温度不超过温度。
通常情况下，线性调节器的功率可通过下式计算：
Pdmax =(VI(avg)-VO(avg))IO(avg)+VI(avg)×I(Q)
(1)
VI(avg)——平均输入电压
VO(avg)——平均输出电压
IO(avg)——平均输出电流
I(Q)——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(1)式的后一项可以忽略，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。
TR=Pdmax×(RJC+ RCS+ RSA) (2)
TJ = TA+TR (3)
TA——环境温度
TR——调节器功耗引起的温度增加
假设平均输入电压是3.3V，输出电压是2.5V，平均输出电流是3A，环境温度是55℃，如果忽略静态电流，平均功率是：
Pdmax= (3.3-2.5)V×3A = 2.4W
Rjamax=(125-55)℃/2.4W=29℃/W
(2)式中(RJC+RCS+RSA)项与封装形式和散热器有关，TPS759xx系列有两种封装形式，即TO-220和TO-263。对于TO-220封装，通过打孔提供了一种有效的散热方式；对于TO-263封装，通过增大引脚的敷铜面积来散热。在设计TPS759XX的封装时，要特别预留出足够的尺寸，利于充分散热，在安装时贴装散热片，并在附近打散热孔。

TPS959XX供电系统实现
对于压差较小的情况，可以降到所要求的电压。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。对于多芯片系统，采用分别供电的方式，级可以采用TPS759XX，第二级根据板上芯片的多少，配以小电流调节器分别降压，如图2所示。芯片所需驱动电流之和必须小于TPS759XX的输出电流7.5A，否则将影响芯片的正常工作。■

参考文献


[1]. TPS datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TPS_1175727.html.
[2]. TTL datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TTL_1174409.html.
[3]. PCB datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.
[4]. TO-220 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TO-220_656183.html.
[5]. TO-263 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TO-263_656188.html.
[6].ADSP-TS101S Tiger SHARC Processor Hardware Reference.Analog Aevices,Inc.Revision 1.0,April 2003