TMS320LF2407A在混合電壓系統(tǒng)中的設(shè)計

摘 要: 介紹了TMS320LF2407A在混合電壓系統(tǒng)中的設(shè)計。首先對TMS320LF2407A做了簡單的介紹,然后闡述了TMS320LF2407A的電源問題以及與5V器件接口時存在的邏輯電平不匹配問題,分析了產(chǎn)生這些問題的原因,并給出了相應(yīng)的解決方案。

關(guān)鍵詞: 邏輯電平  DSP控制器  電源  接口

　　隨著便攜式數(shù)字電子產(chǎn)品、數(shù)字式移動電話、手持式測試儀表等的迅速發(fā)展,要求使用體積小、功耗低、電池耗電小的器件,從而使得集成電路的工作電壓已經(jīng)從5V降到3.3V甚至更低,例如2.5V和1.8V。但是目前仍有許多5V電源的邏輯器件和數(shù)字器件可用,因此在許多設(shè)計中將會有3.3V邏輯器件和5V邏輯器件共存,而且不同的電源電壓在同一電路板中混用。隨著更低電壓標(biāo)準(zhǔn)的引進(jìn),混合電壓的系統(tǒng)將會代替單電壓系統(tǒng),并會在很長時間內(nèi)存在。

　　1 TMS320LF2407A概述

　　TMS320LF2407A是TI公司推出的一款定點(diǎn)DSP控制器,它采用了高性能靜態(tài)CMOS技術(shù),使得供電電壓降為3.3V,減小了控制器的功耗;40MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到25ns(40MHz),從而提高了控制器的實(shí)時控制能力;集成了32K字的閃存(可加密)、2.5K的RAM、500ns轉(zhuǎn)換時間的A/D轉(zhuǎn)換器,片上事件管理器提供了可以滿足各種電機(jī)的PWM接口和I/O功能,此外還提供了適用于工業(yè)控制領(lǐng)域的一些特殊功能,如看門狗電路、SPI、SCI和CAN控制器等,從而使它可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

　　然而,在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中,還需要對TMS320LF 2407A進(jìn)行必要的外圍擴(kuò)展,譬如程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)的擴(kuò)展、CAN的驅(qū)動等,以滿足整個應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)際需要。

　　2 電源設(shè)計

　　TMS320LF2407A的工作電壓是3.3V,而目前許多常用外圍器件的主要工作電源通常是5V,因此以TMS320LF2407A為核心所構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)必然是一個混合電壓系統(tǒng)。與完全的3.3V系統(tǒng)相比較,混合電壓系統(tǒng)由于低電壓器件的缺乏,顯然有不少缺點(diǎn)。其中一個主要缺點(diǎn)就是對多電源的要求,一個典型的系統(tǒng)需要3V、5V、+12V/-12V,甚至更高的電壓。設(shè)計的一個目標(biāo)就是減少所需電源的數(shù)目,并減少產(chǎn)生這些電源電壓所需器件的數(shù)目。為了減少多電源所需的額外器件的數(shù)目,不少廠家提供了產(chǎn)生多種電壓的芯片。同時,隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,將會出現(xiàn)更多的低電壓器件,從而逐漸消除對多電源的要求和產(chǎn)生這些電源的花費(fèi)和復(fù)雜性。

　　對于TMS320LF2407A應(yīng)用系統(tǒng)而言,首先要解決TMS320LF2407A的電源問題。解決3.3V電源通常有以下幾種方案。

　　2.1 電阻分壓

　　利用電阻分壓的方法比較簡單,其原理如圖1所示。但是,該電路實(shí)際的輸出電壓顯然要小于3.3V,并且隨著負(fù)載的變化,輸出電壓也會產(chǎn)生波動。另外,這種電路的功耗也比較大。然而,其成本比較低并且結(jié)構(gòu)簡單,可以作為一種應(yīng)急的方案。對于低功耗的系統(tǒng)和對電源要求高的系統(tǒng),不適合采用這種方案。

　　2.2 直接采用電源模塊

　　考慮到開關(guān)電源設(shè)計的復(fù)雜性,一些公司如Agere(原來朗訊的微電子部)、Ericsson、Vicor等,推出了基于開關(guān)電源技術(shù)的低電壓輸出電源模塊。這些模塊可靠性和效率都很高,電磁輻射小,而且許多模塊還可以實(shí)現(xiàn)電源隔離。這些電源模塊使用方便,只需增加很少的外圍元件,但是價格比較昂貴。

　　2.3 利用線性穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換芯片

　　線性穩(wěn)壓芯片是一種最簡單的電源轉(zhuǎn)換芯片,基本上不需要外圍元件。但是傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器,如LM317,要求輸入電壓比輸出電壓高2V或者更大,否則就不能夠正常工作。因此對于5V的輸入,輸出并不能夠達(dá)到3.3V。面對低電源的需求,許多電源芯片公司推出了低電壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)。這種電源芯片的壓差只有1.3V-0.2V,可以實(shí)現(xiàn)5V轉(zhuǎn)3.3V/2.5V,或者3.3V轉(zhuǎn)2.5V/1.8V等要求。LDO所需的外圍器件數(shù)目少,使用方便、成本較低、紋波小、無電磁干擾。例如,TI公司的TPS73xx系列就是TI公司為配合DSP而設(shè)計的電源轉(zhuǎn)換芯片,其輸出電流可以達(dá)到500mA,且接口電路非常簡單,只需接上必要的外圍電阻,就可以實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換。該系列分為固定電壓輸出的芯片和可調(diào)電壓輸出的芯片。但這種芯片通常效率不是很高,而且功耗比較大。

　　采用何種電源設(shè)計方案,取決于系統(tǒng)的具體要求。通常,小功率或?qū)﹄娫葱室筝^低的時候,可以采用LDO。但是對于大功率或?qū)﹄娫葱室筝^高的時候,則應(yīng)該使用電源模塊。TMS320LF2407A的特點(diǎn)之一就是低電壓工作,其功耗也比較低,所以采用TI公司的TPS73xx系列比較合適。其中,TPS7333是一種固定輸出3.3V電壓的電源轉(zhuǎn)換芯片,正好適合TMS320LF2407A的電源需要。

　　3 邏輯接口設(shè)計

　　由于TMS320LF2407A的引進(jìn),不同電壓的邏輯系統(tǒng)將共存于同一個電路板中,譬如在同一電路板中存在3.3V和5V兩種邏輯系統(tǒng)。因此,在設(shè)計邏輯器件之間的接口時,采用適當(dāng)?shù)姆椒?可以避免不同電壓的邏輯器件接口時出現(xiàn)問題,從而保證所設(shè)計的電路數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

　　3.1 邏輯電平不同時接口出現(xiàn)的問題

　　在混合電壓系統(tǒng)中,不同電源電壓的邏輯器件相互接口時會存在以下三個主要問題:加到輸入或輸出引腳上允許的最大電壓的限制問題;兩個電源間電流的互串問題;必須滿足的輸入轉(zhuǎn)換門限問題。

　　器件對加到輸入腳或輸出腳的電壓通常是有限制的。這些引腳由二極管或分位元件接到Vcc。如果接入的電壓過高,電流將會通過二極管或分位元件流向電源。例如,3.3V器件的輸入端接上5V信號,則5V電源將會向3.3V電源充電,持續(xù)的電流將會損壞二極管和電路元件。

　　在等待或掉電方式時,3.3V電源電壓降到0V,大電流將流通到地,這使總線上的高電平被下拉到地,這些情況將引起數(shù)據(jù)丟失和元件損壞。必須注意的是:不管是在3.3V的工作狀態(tài)或是0V的等待狀態(tài),都不允許電流流向Vcc。

　　另外,用5V的器件驅(qū)動3.3V的器件會有很多種不同情況,而且TTL和CMOS間的轉(zhuǎn)換電平也存在著不同情況。在這些情況下,驅(qū)動器必須滿足接收器的輸入轉(zhuǎn)換電平,并且要有足夠的容限以保證不損壞電路元件。

　　3.2 3.3V和5V邏輯器件之間的接口

　　TMS320LF2407A的典型工作電壓是3.3V,其I/O口的電平也是3.3V。在進(jìn)行外圍接口設(shè)計時,如果外圍器件的工作電壓是3.3V,接口電路就比較簡單,可以直接相連。如CYPRESS的CY7C1021BV33是一種64K×16的高性能CMOS靜態(tài)RAM,可以直接與TMS320LF2407A相連,對TMS320LF2407A的數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行擴(kuò)展。

　　但是,由于現(xiàn)在有許多常用外圍芯片的工作電壓都是5V,如EPROM等,而TMS320LF2407A的I/O工作電壓是3.3V,I/O的電平也是3.3V,因此在TMS320LF2407A和5V的外圍芯片之間就存在著可靠接口的問題。圖2為5V CMOS、5V TTL和3.3V TTL電平的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)。其中,VOH表示輸出高電平的最低電壓,VIH表示輸入高電平的最低電壓,VIL表示輸入低電平的最高電壓,VOL表示輸出低電平的最高電壓。從圖中可以看出5V TTL和3.3V TTL的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)是一樣的,而5V CMOS的轉(zhuǎn)換電平是不同的。因此,在將3.3V和5V系統(tǒng)接口時,必須考慮到兩者的不同。

　　所以,設(shè)計3.3V和5V的邏輯器件之間的接口時應(yīng)考慮以下四種情況:

　　(1)5V TTL器件驅(qū)動3.3V TTL器件(LVC)。由于5V TTL和3.3V TTL的電平標(biāo)準(zhǔn)是一樣的,因此,如果3.3V TTL的器件可以承受5V的電壓,兩種器件之間就可以直接相連,而不需要額外的器件。但是如果3.3V TTL的器件不能承受5V的電壓,則需要添加專門的電路或者器件進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,譬如在接口設(shè)計中,增加一個額外的二極管來產(chǎn)生0.7V的電壓降。當(dāng)然,最好的辦法是在兩個器件之間增加一個TI公司的CBT標(biāo)準(zhǔn)的緩沖器,該緩沖器中集成了上述二極管。

　　(2)5V CMOS器件驅(qū)動3.3V TTL器件(LVC)。顯然,兩者的轉(zhuǎn)換電平是不一樣的。對5V CMOS的VOH和VOL以及3.3V TTL的VIH和VIL做一分析可以得出,雖然兩者存在著一定的差別,但是能夠承受5V電壓的3.3V器件與5V CMOS器件接口時,卻可以正常工作。也就是說,5V CMOS器件可以驅(qū)動那些能夠承受5V電壓的3.3V器件。

　　(3)3.3V TTL器件(LVC)驅(qū)動5V TTL器件。由于兩者的轉(zhuǎn)換電平標(biāo)準(zhǔn)是一樣的,因此兩者相連時,不需要額外的器件。因?yàn)?V TTL器件的VIH和VIL電平分別是2V和0.8V,所以只要3.3V器件的VOH和VOL電平分別是2.4V和0.4V,5V TTL器件就可以將輸入電平識別為有效電平。

　　(4)3.3V TTL器件(LVC)驅(qū)動5V CMOS器件。兩者的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的。從圖中可以看到,3.3V器件的VOH為2.4V,而5V CMOS的VIH為3.5V。即使3.3V LVC輸出的電壓達(dá)到3.3V,也不能夠滿足5V CMOS的高電平所要求的最小值,所以3.3V TTL器件(LVC)是不能直接驅(qū)動5V CMOS器件的。在這種情況下,可以使用TI公司提供的一種驅(qū)動器,如SN74ALVC164245和SN74ALVC245。此類芯片采用雙電壓供電,一邊是3.3V供電,而另一邊是5V供電,因此可以較好地解決3.3V 器件和5V CMOS器件之間的電平轉(zhuǎn)換問題。

　　3.3 TMS320LF2407A與外圍器件的接口實(shí)現(xiàn)

　　在設(shè)計TMS320LF2407A的外圍接口時,首先需要仔細(xì)分析TMS320LF2407A以及相關(guān)外圍器件的電平轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn),這可以從器件的電氣參數(shù)表中獲得。TMS320LF2407A、M27C516(EPROM)和80C250的電平標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

　　M27C516是一個32K×16的EPROM,可使用該器件對TMS320LF2407A的程序區(qū)進(jìn)行擴(kuò)展。從表1中可以看到,TMS320LF2407A的VOH和VOL分別為2.4V和0.4V,而M27C516的VIH和VIL分別是2.0V和0.8V,因此從TMS320LF2407A到M27C516的單線控制線和地址線是可以直接相連的。但是LF2407A不能承受5V的電壓,所以從M27C516到TMS320LF2407A的數(shù)據(jù)線不能夠直接相連。解決的辦法是在中間增加一個緩沖器件,如74ALVC164245。它采用雙電壓供電,一邊采用3.3V供電,另一邊采用5V供電,因此可將3.3V的電平轉(zhuǎn)換為5V的電平,相反也可以將5V的電平轉(zhuǎn)換為3.3V的電平,它可以用作兩個8位總線驅(qū)動器或者一個16位總線驅(qū)動器。TMS320LF2407A和M27C516通過74LVC164245的接口示意圖如圖3所示。

　　總線接口時可以采用增加緩沖器件的方式,但是對于串口的接口,沒有必要增加緩沖器件,可以設(shè)計一些簡單的電路來實(shí)現(xiàn),如與82C250的接口。82C250是驅(qū)動CAN控制器和物理總線間的接口,提供對總線的差動發(fā)送和接收功能,其電平轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。TMS320LF2407A的VOH是2.4V,而82C250的VIH是3.5V以上,很明顯TMS320LF2407A驅(qū)動不了82C250;同時,82C250的VOH大于4V,而TMS320LF2407A的VIH最大為3.6V,不能承受5V的電壓,因此,在TMS320LF2407A與82C250接口需要增加額外的電平轉(zhuǎn)換電路。圖4為一個由電阻和二極管組成的電平轉(zhuǎn)換電路,在CANTX輸出端,增加了一個二極管,從而使TXD接收的電壓提升了0.7V;同時RXD的電平經(jīng)過了兩個電阻的分壓,使得CANRX接收的電平可以保證在3.3V內(nèi)。

　　當(dāng)然,在CANTX和TXD之間還可以使用74LVC07來實(shí)現(xiàn)接口。這是一種簡單的電平移位器件,它使用一個漏極開路的緩沖器去驅(qū)動5V CMOS器件的輸入。因此,在CANTX和TXD之間增加一個74LVC07,并在其輸出端可通過上拉電阻接到5V電源上,從而驅(qū)動TXD。

　　5V和3.3V器件甚至更低電壓的器件并存于一個系統(tǒng)中,這種情況已經(jīng)存在并且還將存在很長一段時間。因此在設(shè)計這種混合電壓的系統(tǒng)時,需要仔細(xì)分析其中的邏輯器件接口問題。對于TMS320LF2407A來說,它是低電壓的芯片,如果與其它芯片的接口設(shè)計不好,不僅無法體現(xiàn)其低功耗的特點(diǎn),而且會降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?甚至?xí)p害芯片。本文中介紹的幾種方法,經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有較高的可靠性。

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