高精度测量系统中多电源可靠性设计
1 dsp和fpga的电源要求
介绍了一种高精度测量系统中数字电路部分的电源设计。系统采用altera公司的cyclone系列epic12型号fpga和ti公司的tms320c6713b型号dsp均需要两种电源[1～2]：外围i/o电压为3.3v及内核电压分别为1.5v和1.2v。因此必须考虑它们的配合问题：(1)在加电过程中，要保证内核先得到供电，外围i/o后得到供电，内核最晚也应该与周边i/o接口电源同时加电。否则可能会导致dsp和fpga的输出端出现大电流，这将大大影响器件的使用寿命，甚至损坏器件。(2)在关闭电源时，内核最晚也应当与周边i/o接口电源同时掉电，而且应该先关闭i/o接口电源，再关内核电源。本文主要利用ti公司的tps5431×系列产品来产生1.2v、1.5v和3.3v电压[3]。
系统各个电源转换芯片统一由蓄电池供电。电源模块在用蓄电池加电时，其电压上升过程中与达到稳定状态前可能出现较严重的波动。而dsp和fpga在上电过程中如果电压波动较大，加载可能失败并导致后续加载操作异常[4]。为了保证加载成功，不会产生不受控制的状态，所以在系统中加入了电压监控和复位电路，以确保dsp和fpga芯片在系统加电过程中始终处于复位状态，直到电压达到所要求的电平。同时，一旦电源的电压降到阈值以下，强制芯片进入复位状态，确保系统稳定地工作。因为系统用6v蓄电池供电，所以电压不会超过6v，只需进行欠压监控[5]。
2 电源系统设计
系统中存在模拟电路和数字电路供电。本文重点介绍数字电路电源部分。
本设计采用tps5431×系列电压转换芯片设计数字电源系统，分别产生dsp和pfga的内核和外围电压以及+5v电压。tps5431×系列是低电压输入、大电流输出的同步pwm buck降压式电压转换器，其电路外围器件少，60mω的mosfet开关管保证了在持续3a的输出电流时超过92%高效率;输出电压有0.9v、1.2v、1.5v、1.8v、2.5v、3.3v可选，初始误差为1%;pwm频率范围从280～700khz;通过峰值电流限制和热关断实现过载保护;加强散热型的pwp封装为芯片提供了更好的散热;综合解决了电路板面积和成本[3]。
2.1内核电压的产生
本部分主要是为tms320c6713b和epic12设计内核供电系统，其内核电压分别为1.2v和1.5v，分别用tps54312和tps54313来产生,具体电路如图1、图2所示。为了满足供电顺序的要求，图1、图2中的pwrgd接到图3中的ss/ena脚。
参数的选取：芯片的开关频率设为700khz，为此，需要保持fsel脚开路并在rt脚和agnd脚之间串联71.5kω的电阻;输出滤波电感的取值范围在4.7~10μh之间，本文选用4.7μh的贴片电感;ss/ena脚通过一个低容值电容接地，其功能为使能、输出延迟和电压上升延迟。其中延迟时间和电容值成正比，近似为：
式中: td为输出延迟时间(秒);c(ss)为ss/ena脚所接电容(f);t(ss)为输出电压上升延迟时间(秒)。
本设计内核电压电路中，c(ss)=0.039μf，根据式(1)、式(2)可得td、t(ss)分别为9.36ms和5.46ms。
2.2 外围电压的产生及供电顺序的实现
利用tps54316来产生3.3v的输出电压。外围器件参数的选取除ss/ena脚处的电容外，其余与内核电压电路相同。外围i/o电压电路如图3所示。
为了实现内核和周边i/o接口的电源供电顺序，本文采取调整ss/ena脚处的电容值和利用tps5431×中的pwrgd和ss/ena信号来控制的方法。一方面，在外围电压电路中选取c(ss)=0.1μf，根据式(1)、式(2)得td、t(ss)分别为24ms和14ms。在加电时，内核比外围早加电约23ms。另一方面，即使电容被击穿，在加电起始，由于tps54312和tps54313输出为未达到阈值(正常值的95%)，pwrgd(信号)输出低电平，tps54316处于关闭状态，直至内核电压稳定。这样就保证了内核先加电;在关闭电源时，由于tps54312和tps54313输出低于阈值，pwrgd信号输出低电平，关断tps54316，保证了外围i/o先掉电，实验测得外围i/o早掉电10ms左右。由此可见，从两方面都满足了供电顺序的要求[6]。上电过程及掉电过程实验波形分别如图4、图5所示。
2.3 电压监控和复位电路
电压监控和复位电路采用ti公司的tps3307-18d来实现。tps3307-18d是一种微处理器电源监控芯片，其特点是可同时输出高电平有效和低电平有效的复位信号，可同时监控三个独立的电压：3.3v/1.8v/可调电压(其对应的门限值分别为2.93v/1.68v/1.25v)。由于系统中的dsp、fpga和flash存储器的复位信号都是低电平有效，所以用tps3307-18d的
信号来实现复位，用
信号完成复位指示功能，对系统中的3.3v、1.5v和1.2v(放大到3.6v)三个电压进行监控。电压监控和复位电路如图6所示。
只要其自身的供电电压在2v以上，并且被监控的三个电压中有一个低于其门限值时，就可以保证输出有效的reset信号;当三个电压的值都高于门限值前，复位信号则一直有效。另外，芯片还有一个手动复位信号，通过复位按扭可以方便地进行手动复位。
实验测试结果表明，该电源系统能可靠地为本测量系统提供稳定的电源，并具有动态响应快(25ms)、功率大(最高可达18w)、转换效率高(达到93%)、输出电压波纹小(0.05v)及电压调整率好(0.1%)的特点。然而电源波动和上电顺序所造成的电路上电失败故障，只是涉及电源可靠性的一个方面，因此本文所举的实际应用例子可能并不适合于各种情况，其目的在于提醒设计人员在有关电源设计中可能存在的隐患，以供参考。
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系统各个电源转换芯片统一由蓄电池供电。电源模块在用蓄电池加电时，其电压上升过程中与达到稳定状态前可能出现较严重的波动。而dsp和fpga在上电过程中如果电压波动较大，加载可能失败并导致后续加载操作异常[4]。为了保证加载成功，不会产生不受控制的状态，所以在系统中加入了电压监控和复位电路，以确保dsp和fpga芯片在系统加电过程中始终处于复位状态，直到电压达到所要求的电平。同时，一旦电源的电压降到阈值以下，强制芯片进入复位状态，确保系统稳定地工作。因为系统用6v蓄电池供电，所以电压不会超过6v，只需进行欠压监控[5]。
2 电源系统设计
系统中存在模拟电路和数字电路供电。本文重点介绍数字电路电源部分。
本设计采用tps5431×系列电压转换芯片设计数字电源系统，分别产生dsp和pfga的内核和外围电压以及+5v电压。tps5431×系列是低电压输入、大电流输出的同步pwm buck降压式电压转换器，其电路外围器件少，60mω的mosfet开关管保证了在持续3a的输出电流时超过92%高效率;输出电压有0.9v、1.2v、1.5v、1.8v、2.5v、3.3v可选，初始误差为1%;pwm频率范围从280～700khz;通过峰值电流限制和热关断实现过载保护;加强散热型的pwp封装为芯片提供了更好的散热;综合解决了电路板面积和成本[3]。
2.1内核电压的产生
本部分主要是为tms320c6713b和epic12设计内核供电系统，其内核电压分别为1.2v和1.5v，分别用tps54312和tps54313来产生,具体电路如图1、图2所示。为了满足供电顺序的要求，图1、图2中的pwrgd接到图3中的ss/ena脚。
参数的选取：芯片的开关频率设为700khz，为此，需要保持fsel脚开路并在rt脚和agnd脚之间串联71.5kω的电阻;输出滤波电感的取值范围在4.7~10μh之间，本文选用4.7μh的贴片电感;ss/ena脚通过一个低容值电容接地，其功能为使能、输出延迟和电压上升延迟。其中延迟时间和电容值成正比，近似为：
式中: td为输出延迟时间(秒);c(ss)为ss/ena脚所接电容(f);t(ss)为输出电压上升延迟时间(秒)。
本设计内核电压电路中，c(ss)=0.039μf，根据式(1)、式(2)可得td、t(ss)分别为9.36ms和5.46ms。
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信号来实现复位，用
信号完成复位指示功能，对系统中的3.3v、1.5v和1.2v(放大到3.6v)三个电压进行监控。电压监控和复位电路如图6所示。
只要其自身的供电电压在2v以上，并且被监控的三个电压中有一个低于其门限值时，就可以保证输出有效的reset信号;当三个电压的值都高于门限值前，复位信号则一直有效。另外，芯片还有一个手动复位信号，通过复位按扭可以方便地进行手动复位。
实验测试结果表明，该电源系统能可靠地为本测量系统提供稳定的电源，并具有动态响应快(25ms)、功率大(最高可达18w)、转换效率高(达到93%)、输出电压波纹小(0.05v)及电压调整率好(0.1%)的特点。然而电源波动和上电顺序所造成的电路上电失败故障，只是涉及电源可靠性的一个方面，因此本文所举的实际应用例子可能并不适合于各种情况，其目的在于提醒设计人员在有关电源设计中可能存在的隐患，以供参考。
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