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CPCI嵌入式系统电源需求分析与器件造型
发布时间:2013-04-28   点击次数:1217次

 

CPCI嵌入式系统电源
西南林学院 张晴晖 李俊荻 文菠 徐安排
  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,zui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。
 
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