基于CPCI的嵌入式系统的电源设计
基于cpci的嵌入式系统的电源设计
1 引言
嵌入式系统广泛应用于控制和通信领域。而这些系统运行速度高，系统较复杂，常常集成超大规模fpga器件、dsp器件、ddr存储器以及各种接口电路。这对电源的输出电压值、功耗、电压精度、上电顺序以及电源完整性提出更高的要求。这里介绍一种基于cpci的嵌入式单板计算机电源的设计方案。该设计主要应用于航空设备和军用车载设备。
2 系统电源需求分析与器件造型
图1为系统整体结构框图。该系统由cpu和与其相连的ddr储存器、pci接口、时钟、电源、ebc总线以及外部接口电路组成。cpu采用amcc公司的powerpc 440epx。
2．1 系统电源需求
该系统电源较复杂，有多达8种不同的电源电压值，其中5 v和3．3 v由cpci机箱提供。5 v供给dc／dc器件降压以产生其他电源电压，同时给1553总线的变压器供电。3．3 v是系统主电源，包括usb phy、时钟器件、fpga和cpu以及pci桥器件(plx6466)的i／o部分等。其他电源电压都是由5v或3．3 v经电源器件降压得到。
表1、2分别为cpu和pci桥器件的功耗需求，cpu器件对上电顺序没有要求。其中vdd 1．5 v是ppc440epx的内核电压，sovdd是cpu的ddr2接口电源；1．8 v为pci桥的内核电压，vddio是pci桥的接口电源。
该系统采用ddr2作为内存，使用4片micron公司的mt47h64m16，容量为512 mb。每片ddr2器件的内核、接口和dll的电源电压都是1．8 v，最大电流为440 ma。另外需特别注意ddr2的vref以及地址和控制信号的端口接电压vtt，其电压值都是0．9 v。其中，vref对容差的要求非常严格(小于2％)，不过其对电流的要求较小。而对vtt不仅有严格的容差要求，而且还要求其能在瞬间输出或吸收很大的电流。同时，vref岍要随着vdd的变化而变化，vtt也要跟踪vref的变化。通常的ldo难以完成这样的工作，必须采用专用的ddr端接电源器件。
该系统使用spartan3型fpga器件xc3s200实现1553收发器以及一些接口电路的设计。该器件使用3个电压内核电压vccint(1．2 v)，辅助电压vccaux(2．5 v)以及接口电压vcco(3．3 v)。fpga内部有上电复位电路，只有当这3个电源信号都达到各自门限电压，才释放该复位信号。因此，对这3个电源信号的上电顺序没有要求。不过，如果 vccint先于vccaux上电，则会在上电时额外增加几百毫安的瞬时电流。估计fpga器件功耗可采用基于电子数据表的工具xpower estimator(xpe)或在ise下直接调用xpower。系统利用xpower软件估计出该设计功耗需求：vccint为50 ma，vccaux为10 ma。系统使用两片88e1111作为千兆以太网的phy器件，该器件以2．5 v为砌电压(410 ma)，1．0 v为内核电压(250 ma)。除上述集成电路外，系统还有诸如串行接口、usb接口、时钟等电路，但功耗都较低。从分析可知：1．5 v和1．8 v需要使用大功率的电源器件，ddr2的电源需要专用的电源器件，其他电压的功率要求较小。
2．2 电源器件选型
电源器件主要分为线性稳压器和dc／dc转换器两大类型。ldo属于线性稳压器主要应用于输人和输出压差较小的场合，其特点是：成本低、噪音低、静态电流小、需外接元件少，但其转换效率不是很高，且输出电流一般不是很大。dc／dc转换器的转换效率高、输出大电流、静态电流小。但由于采用pwm控制，其开关噪音较大，成本也相对较高。且外接电路较复杂，一般都需外接开关管、电感及电容。许多新型 dc／dc将开关管集成到器件内部．因此只需外接电感和滤波电容。
根据电源器件的特点，以及对系统电源需求的分析，这两种类型的电源器件在该系统都得到使用。但为简化设计、便于批量生产和物料管理，该系统只使用3个不同型号的电源器件，分别是：lt3501、ldo器件tps51100和tps74801。其中，功耗需求较大的1．5 v和1．8 v电源电路采用lt3501实现；ddr2的端接电源和参考电源由器件tps51100提供；系统的其他电源由tps74801提供。
3 系统硬件电路设计
由于ldo电路简单及篇幅原因，这里重点讨论lt3501的电路设计，图2为lt3501的电路原理图。
3．1 参数配置
3．1．1 输出电压
输出电压值的选择较简单，由连接在vout和vfr间的2只电阻分压得到。其公式为：
图2中，分压电阻为2只精度为1％的电阻r680和r682(分别对应r1，r2)，代入式(1)，计算其输出电压vout=1．495 v。
3．1．2 开关频率
lt3501的开关频率由连接在rt／sync引脚上的电阻决定，如图3所示。当电阻从15．4 kω增加到133 kω时，其开关频率从1．5 mhz减小到250 khz。为减小外连的电感和电容的尺寸，便于pcb设计，开关频率选择较高的f=1．2 mhz。则根据图3所示曲线，其电阻值为20．6 kω。
3．1．3 电感值
对于开关电源，电感的取值非常重要。根据lt3501的数据手册公式：
式中，dc指占空比，其最小值dcmin=ton(min)×f=0．24。vd是捕捉二极管的正向压降，其值约为0．4 v。
假如最大输出电流需3 a，由式(2)可计算电感l至少为1．2μh。
为提高效率，减小输出纹波，要求电感：额定电流的有效值应大于最大负载电流；同时其饱和电流值应大于30％；直流电阻值应小于0．05 ω，其电感值应大于理论值。据此，系统选择pb03316-1r5mt，该电感的电感值为1．5μh，直流电阻为0．010ω，额定电流有效值为8．0 a，饱和电流为6．4 a。选定电感值后，就可将其代入式(2)计算纹波电流△il为0．8 a。
3．1．4 输入电容和输出电容
由于开关电源的输入是以脉冲形式为输出提供电流，并且其上升和下降时间非常快。
因此。需用输入电容滤出电压纹波，以减小emi。并可使用4．7μf或更大的x7r或x5r型电容旁路输入信号，也可使用钽电容和较小容量的陶瓷电容并联来实现。陶瓷电容应尽可能靠近器件的输入引脚。
输出电容滤波流过电感的电流，以得到纹波很小的输出电压。同时，其储能功能还可满足瞬间负载，并稳定lt3501的控制环路。lt3501的控制环路采用电流模式，对输出电容的resr(串连等效电阻)没有要求。
因此，可以采用陶瓷电容来作输出电容。输出电容的值可以根据式(3)估算。其中mls(max load step)为最大电流负载的跳变，例如：该系统mls为3a。
输出电压的纹波可按式(4)和(5)估算：式(4)计算陶瓷电容，式(5)计算钽电容或铝电解电容。系统采用温度特性较好的x7r型陶瓷电容与钽电容并联。利用式(4)计算出纹波电压约0．56 mv，满足cpu和其他电路对电源纹波的要求。
3．2 pcb布局
对于开关电源，pcb的布局非常重要。当开关电源工作时，电路的部分支路存在很大的阶跃电流。该电流主要在器件内部的开关管、外面的环流二极管和输入电容之间流动。由这些元件构成的环路应尽可能的小。在布局时，这些器件以及电感和输出电容应该布局在电路板的同一层，其连线也尽可能在同一层完成。在这些元件的下面，有一块连续的局部地。该局部地与系统地的连接采用单点连接方法，连接点最好选在输出电容的接地端。另外，sw和bst信号的布线要尽可能的短。 lt3501器件的底部有裸露的leadframe，该结构散热良好。在设计pcb时。可在器件底部的对应位置放一块覆铜，并通过多个过孔与内层的大面积覆铜连接。
4 结论
分析该系统的功耗，在考虑一定冗余的基础上，利用3种电源器件设计该嵌入式系统的电源电路。并使用max705电源监控器件提高系统的可靠性。该系统已成功在多个实际应用中得到验证，并且表现良好。
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2 系统电源需求分析与器件造型
图1为系统整体结构框图。该系统由cpu和与其相连的ddr储存器、pci接口、时钟、电源、ebc总线以及外部接口电路组成。cpu采用amcc公司的powerpc 440epx。
2．1 系统电源需求
该系统电源较复杂，有多达8种不同的电源电压值，其中5 v和3．3 v由cpci机箱提供。5 v供给dc／dc器件降压以产生其他电源电压，同时给1553总线的变压器供电。3．3 v是系统主电源，包括usb phy、时钟器件、fpga和cpu以及pci桥器件(plx6466)的i／o部分等。其他电源电压都是由5v或3．3 v经电源器件降压得到。
表1、2分别为cpu和pci桥器件的功耗需求，cpu器件对上电顺序没有要求。其中vdd 1．5 v是ppc440epx的内核电压，sovdd是cpu的ddr2接口电源；1．8 v为pci桥的内核电压，vddio是pci桥的接口电源。
该系统采用ddr2作为内存，使用4片micron公司的mt47h64m16，容量为512 mb。每片ddr2器件的内核、接口和dll的电源电压都是1．8 v，最大电流为440 ma。另外需特别注意ddr2的vref以及地址和控制信号的端口接电压vtt，其电压值都是0．9 v。其中，vref对容差的要求非常严格(小于2％)，不过其对电流的要求较小。而对vtt不仅有严格的容差要求，而且还要求其能在瞬间输出或吸收很大的电流。同时，vref岍要随着vdd的变化而变化，vtt也要跟踪vref的变化。通常的ldo难以完成这样的工作，必须采用专用的ddr端接电源器件。
该系统使用spartan3型fpga器件xc3s200实现1553收发器以及一些接口电路的设计。该器件使用3个电压内核电压vccint(1．2 v)，辅助电压vccaux(2．5 v)以及接口电压vcco(3．3 v)。fpga内部有上电复位电路，只有当这3个电源信号都达到各自门限电压，才释放该复位信号。因此，对这3个电源信号的上电顺序没有要求。不过，如果 vccint先于vccaux上电，则会在上电时额外增加几百毫安的瞬时电流。估计fpga器件功耗可采用基于电子数据表的工具xpower estimator(xpe)或在ise下直接调用xpower。系统利用xpower软件估计出该设计功耗需求：vccint为50 ma，vccaux为10 ma。系统使用两片88e1111作为千兆以太网的phy器件，该器件以2．5 v为砌电压(410 ma)，1．0 v为内核电压(250 ma)。除上述集成电路外，系统还有诸如串行接口、usb接口、时钟等电路，但功耗都较低。从分析可知：1．5 v和1．8 v需要使用大功率的电源器件，ddr2的电源需要专用的电源器件，其他电压的功率要求较小。
2．2 电源器件选型
电源器件主要分为线性稳压器和dc／dc转换器两大类型。ldo属于线性稳压器主要应用于输人和输出压差较小的场合，其特点是：成本低、噪音低、静态电流小、需外接元件少，但其转换效率不是很高，且输出电流一般不是很大。dc／dc转换器的转换效率高、输出大电流、静态电流小。但由于采用pwm控制，其开关噪音较大，成本也相对较高。且外接电路较复杂，一般都需外接开关管、电感及电容。许多新型 dc／dc将开关管集成到器件内部．因此只需外接电感和滤波电容。
根据电源器件的特点，以及对系统电源需求的分析，这两种类型的电源器件在该系统都得到使用。但为简化设计、便于批量生产和物料管理，该系统只使用3个不同型号的电源器件，分别是：lt3501、ldo器件tps51100和tps74801。其中，功耗需求较大的1．5 v和1．8 v电源电路采用lt3501实现；ddr2的端接电源和参考电源由器件tps51100提供；系统的其他电源由tps74801提供。
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图2中，分压电阻为2只精度为1％的电阻r680和r682(分别对应r1，r2)，代入式(1)，计算其输出电压vout=1．495 v。
3．1．2 开关频率
lt3501的开关频率由连接在rt／sync引脚上的电阻决定，如图3所示。当电阻从15．4 kω增加到133 kω时，其开关频率从1．5 mhz减小到250 khz。为减小外连的电感和电容的尺寸，便于pcb设计，开关频率选择较高的f=1．2 mhz。则根据图3所示曲线，其电阻值为20．6 kω。
3．1．3 电感值
对于开关电源，电感的取值非常重要。根据lt3501的数据手册公式：
式中，dc指占空比，其最小值dcmin=ton(min)×f=0．24。vd是捕捉二极管的正向压降，其值约为0．4 v。
假如最大输出电流需3 a，由式(2)可计算电感l至少为1．2μh。
为提高效率，减小输出纹波，要求电感：额定电流的有效值应大于最大负载电流；同时其饱和电流值应大于30％；直流电阻值应小于0．05 ω，其电感值应大于理论值。据此，系统选择pb03316-1r5mt，该电感的电感值为1．5μh，直流电阻为0．010ω，额定电流有效值为8．0 a，饱和电流为6．4 a。选定电感值后，就可将其代入式(2)计算纹波电流△il为0．8 a。
3．1．4 输入电容和输出电容
由于开关电源的输入是以脉冲形式为输出提供电流，并且其上升和下降时间非常快。
因此。需用输入电容滤出电压纹波，以减小emi。并可使用4．7μf或更大的x7r或x5r型电容旁路输入信号，也可使用钽电容和较小容量的陶瓷电容并联来实现。陶瓷电容应尽可能靠近器件的输入引脚。
输出电容滤波流过电感的电流，以得到纹波很小的输出电压。同时，其储能功能还可满足瞬间负载，并稳定lt3501的控制环路。lt3501的控制环路采用电流模式，对输出电容的resr(串连等效电阻)没有要求。
因此，可以采用陶瓷电容来作输出电容。输出电容的值可以根据式(3)估算。其中mls(max load step)为最大电流负载的跳变，例如：该系统mls为3a。
输出电压的纹波可按式(4)和(5)估算：式(4)计算陶瓷电容，式(5)计算钽电容或铝电解电容。系统采用温度特性较好的x7r型陶瓷电容与钽电容并联。利用式(4)计算出纹波电压约0．56 mv，满足cpu和其他电路对电源纹波的要求。
3．2 pcb布局
对于开关电源，pcb的布局非常重要。当开关电源工作时，电路的部分支路存在很大的阶跃电流。该电流主要在器件内部的开关管、外面的环流二极管和输入电容之间流动。由这些元件构成的环路应尽可能的小。在布局时，这些器件以及电感和输出电容应该布局在电路板的同一层，其连线也尽可能在同一层完成。在这些元件的下面，有一块连续的局部地。该局部地与系统地的连接采用单点连接方法，连接点最好选在输出电容的接地端。另外，sw和bst信号的布线要尽可能的短。 lt3501器件的底部有裸露的leadframe，该结构散热良好。在设计pcb时。可在器件底部的对应位置放一块覆铜，并通过多个过孔与内层的大面积覆铜连接。
4 结论
分析该系统的功耗，在考虑一定冗余的基础上，利用3种电源器件设计该嵌入式系统的电源电路。并使用max705电源监控器件提高系统的可靠性。该系统已成功在多个实际应用中得到验证，并且表现良好。
敏捷弹跳机器人SALTO
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