基于CPCI的嵌入式系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

1 引言

　　嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于控制和通信領(lǐng)域。而這些系統(tǒng)運(yùn)行速度高，系統(tǒng)較復(fù)雜，常常集成超大規(guī)模FPGA器件、DSP器件、DDR存儲(chǔ)器以及各種接口電路。這對(duì)電源的輸出電壓值、功耗、電壓精度、上電順序以及電源完整性提出更高的要求。這里介紹一種基于CPCI的嵌入式單板計(jì)算機(jī)電源的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于航空設(shè)備和軍用車載設(shè)備。

　　2 系統(tǒng)電源需求分析與器件造型

　　圖1為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)由CPU和與其相連的DDR儲(chǔ)存器、PCI接口、時(shí)鐘、電源、EBC總線以及外部接口電路組成。CPU采用AMCC公司的PowerPC 440EPx。

　　2．1 系統(tǒng)電源需求

　　該系統(tǒng)電源較復(fù)雜，有多達(dá)8種不同的電源電壓值，其中5 V和3．3 V由CPCI機(jī)箱提供。5 V供給DC／DC器件降壓以產(chǎn)生其他電源電壓，同時(shí)給1553總線的變壓器供電。3．3 V是系統(tǒng)主電源，包括USB PHY、時(shí)鐘器件、FPGA和CPU以及PCI橋器件(PLX6466)的I／O部分等。其他電源電壓都是由5V或3．3 V經(jīng)電源器件降壓得到。

　　表1、2分別為CPU和PCI橋器件的功耗需求，CPU器件對(duì)上電順序沒(méi)有要求。其中VDD 1．5 V是PPC440EPx的內(nèi)核電壓，SOVDD是CPU的DDR2接口電源；1．8 V為PCI橋的內(nèi)核電壓，VDDIO是PCI橋的接口電源。

　　該系統(tǒng)采用DDR2作為內(nèi)存，使用4片Micron公司的MT47H64M16，容量為512 MB。每片DDR2器件的內(nèi)核、接口和DLL的電源電壓都是1．8 V，最大電流為440 mA。另外需特別注意DDR2的VREF以及地址和控制信號(hào)的端口接電壓VTT，其電壓值都是0．9 V。其中，VREF對(duì)容差的要求非常嚴(yán)格(小于2％)，不過(guò)其對(duì)電流的要求較小。而對(duì)VTT不僅有嚴(yán)格的容差要求，而且還要求其能在瞬間輸出或吸收很大的電流。同時(shí)，VREF岍要隨著VDD的變化而變化，VTT也要跟蹤VREF的變化。通常的LDO難以完成這樣的工作，必須采用專用的DDR端接電源器件。

　　該系統(tǒng)使用Spartan3型FPGA器件XC3S200實(shí)現(xiàn)1553收發(fā)器以及一些接口電路的設(shè)計(jì)。該器件使用3個(gè)電壓內(nèi)核電壓VCCINT(1．2 V)，輔助電壓VCCAUX(2．5 V)以及接口電壓VCCO(3．3 V)。FPGA內(nèi)部有上電復(fù)位電路，只有當(dāng)這3個(gè)電源信號(hào)都達(dá)到各自門限電壓，才釋放該復(fù)位信號(hào)。因此，對(duì)這3個(gè)電源信號(hào)的上電順序沒(méi)有要求。不過(guò)，如果 VCCINT先于VCCAUX上電，則會(huì)在上電時(shí)額外增加幾百毫安的瞬時(shí)電流。估計(jì)FPGA器件功耗可采用基于電子數(shù)據(jù)表的工具XPower　 Estimator(XPE)或在ISE下直接調(diào)用XPower。系統(tǒng)利用XPower軟件估計(jì)出該設(shè)計(jì)功耗需求：VCCINT為50 mA，VCCAUX為10 mA。系統(tǒng)使用兩片88E1111作為千兆以太網(wǎng)的PHY器件，該器件以2．5 V為砌電壓(410 mA)，1．0 V為內(nèi)核電壓(250 mA)。除上述集成電路外，系統(tǒng)還有諸如串行接口、USB接口、時(shí)鐘等電路，但功耗都較低。從分析可知：1．5 V和1．8 V需要使用大功率的電源器件，DDR2的電源需要專用的電源器件，其他電壓的功率要求較小。

　　2．2 電源器件選型

　　電源器件主要分為線性穩(wěn)壓器和DC／DC轉(zhuǎn)換器兩大類型。LDO屬于線性穩(wěn)壓器主要應(yīng)用于輸人和輸出壓差較小的場(chǎng)合，其特點(diǎn)是：成本低、噪音低、靜態(tài)電流小、需外接元件少，但其轉(zhuǎn)換效率不是很高，且輸出電流一般不是很大。DC／DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率高、輸出大電流、靜態(tài)電流小。但由于采用PWM控制，其開(kāi)關(guān)噪音較大，成本也相對(duì)較高。且外接電路較復(fù)雜，一般都需外接開(kāi)關(guān)管、電感及電容。許多新型 DC／DC將開(kāi)關(guān)管集成到器件內(nèi)部．因此只需外接電感和濾波電容。

　　根據(jù)電源器件的特點(diǎn)，以及對(duì)系統(tǒng)電源需求的分析，這兩種類型的電源器件在該系統(tǒng)都得到使用。但為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、便于批量生產(chǎn)和物料管理，該系統(tǒng)只使用3個(gè)不同型號(hào)的電源器件，分別是：LT3501、LDO器件TPS51100和TPS74801。其中，功耗需求較大的1．5 V和1．8 V電源電路采用LT3501實(shí)現(xiàn)；DDR2的端接電源和參考電源由器件TPS51100提供；系統(tǒng)的其他電源由TPS74801提供。