電源監(jiān)控在高速電路板中的重要性

　　電源在所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)備中可以說(shuō)是最簡(jiǎn)單的器件，但卻必須放在整機(jī)設(shè)計(jì)的最后考慮。為了保證整機(jī)的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)供電系統(tǒng)的要求越來(lái)越高。

　　在高速電路板中，例如視頻處理卡，由于電路的高頻特性，開(kāi)關(guān)的電磁輻射和線路噪音都會(huì)干擾到達(dá)電路器件電壓，即器件的實(shí)際工作電壓。而現(xiàn)今的低電壓、低功耗、高性能的芯片，如DSP芯片等對(duì)工作電壓的要求非常高，一般都要求電壓偏差不超過(guò)5%，若芯片的供電電壓為3.3V，即電壓偏差不能超過(guò)0.165V。否則，一旦工作電壓超出這個(gè)范圍，長(zhǎng)時(shí)間工作容易縮短壽命甚至于燒毀。因此，在電路中需要通過(guò)電壓監(jiān)控電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以期電源能夠?yàn)樾酒峁┖细穸€(wěn)定的電壓。

　　TI公司TPS330X系列電源監(jiān)控芯片

　　TI已連續(xù)四年成為全球模擬半導(dǎo)體市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者，在電源管理產(chǎn)品及接口方面保持著領(lǐng)先的地位。TI(德州儀器公司)在很早以前就發(fā)明了供應(yīng)電壓監(jiān)控器(Supply-Voltage Supervisor，SVSs)，并新近開(kāi)發(fā)出TPS330x系列產(chǎn)品，這些產(chǎn)品結(jié)合了芯片內(nèi)集成、省電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和新的低電壓選項(xiàng)，主要用于多種電壓電路中系統(tǒng)芯片的供電電壓監(jiān)控，為用戶提供高品質(zhì)的電壓。

　　作為T(mén)PS33X-XX系列的代表，TPS3307-33D具有以下優(yōu)良特性：

　　(1) 主要用于多電壓處理器體系，可以為DSP等芯片提供三通道監(jiān)控電路;

　　(2) 200ms固定延時(shí)的上電復(fù)位發(fā)生器，無(wú)需外部擴(kuò)展電容;

　　(3) 電壓溫度補(bǔ)償;

　　(4) 可提供2~6V的大范圍電壓;

　　(5) 可穩(wěn)定工作在-40°C to 85°C。

　　TPS3307-33D可監(jiān)視兩種獨(dú)立電壓，并且還可以控制另外一種電壓，這種電壓可以獨(dú)立調(diào)整并內(nèi)在與復(fù)位邏輯電路相連。其芯片管腳如圖1所示。

　　圖1 TPS3307管腳圖

　　其中，SENSE 1，SENSE 2，SENSE3分別用于監(jiān)控第一、第二、第三種電壓;/MR即Manual Reset，可連接一個(gè)外部復(fù)位觸發(fā)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)電路人工復(fù)位;/RESER輸出低電平有效復(fù)位信號(hào);RESET輸出高電平有效復(fù)位信號(hào)。其內(nèi)部電路模塊圖表示如下圖2所示。

　　圖2 TPS3307芯片內(nèi)部模塊圖

　　從圖中可以看出，電壓監(jiān)控有內(nèi)置晶振，核心部分非常穩(wěn)定，并且具有溫度補(bǔ)償參考電壓體系。第一、第二監(jiān)控電壓被內(nèi)部電阻反壓后與比較器的參考電壓進(jìn)行比較。SENSE 3管腳的輸入電壓直接與1.25V參考電壓進(jìn)行比較?；赥PS3307的一種典型的電壓監(jiān)控應(yīng)用可以用圖3的模塊圖表示。該電路可以同時(shí)監(jiān)控2.5V、3.3V和5V三種電壓。

　　如果SENSE 3的輸入電壓為2.5V，經(jīng)內(nèi)置分壓電阻分壓后，通過(guò)計(jì)算門(mén)檻電壓VIT-可以得知，SENSE 3可以很好的監(jiān)控2.5V電壓。具體計(jì)算過(guò)程為：

　　這個(gè)值非常適合用于2.5V電源供電。

　　圖3 TPS3307應(yīng)用方案

　　該方案中的μC代表TMS320C6211、MSP430C325等微處理器。

　　TPS3307-33D在DSP圖像處理系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　本系統(tǒng)是采用TI TMS320C6211芯片處理通過(guò)攝像頭拍攝并經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的圖像。DSP對(duì)圖像進(jìn)行壓縮后，由DSP的HPI口通過(guò)TI的PCI2040芯片上傳到上位機(jī)主板上，與上位機(jī)的PCI總線進(jìn)行通信。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵是視頻處理卡的設(shè)計(jì)，由于市場(chǎng)上能夠買到的視頻卡一般功能都有限，不能滿足本項(xiàng)目的需求，故自行設(shè)計(jì)一塊視頻卡。

　　在視頻卡設(shè)計(jì)中，電源模塊設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，它直接影響著視頻卡的最后實(shí)現(xiàn)和穩(wěn)定運(yùn)行。電源設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分：供電系統(tǒng)和電源檢測(cè)及上電復(fù)位系統(tǒng)。對(duì)供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，為滿足系統(tǒng)需要，必須能夠提供四種電源電壓，分別為-+5V、-5V、+3.3V和+1.8V。+5V電源由外部提供，而其它供電電壓需要自行設(shè)計(jì)。在選擇5V-3.3V DC-DC電壓泵時(shí)，考慮電流大小為：TMS320C6211的130mA、SAA7111A的150mA、EPM7128S的300mA、AM29LV800B的30mA、IDT72V215的2×60mA、MT48LC4M16A2的2×230mA，電流共需在1.2A左右，加上其它的一些電壓轉(zhuǎn)換芯片和接口芯片，考慮1.5A的供電電流。即供電電流必須大于1.5A。在選擇5V-1.8V DC-DC電壓泵為DSP供電時(shí)，供電電流要大于830mA。

　　該系統(tǒng)中的電源檢測(cè)及上電復(fù)位電路，是為保證系統(tǒng)在供電未達(dá)工作電壓前，各器件不會(huì)處于不受控制的狀態(tài)而設(shè)計(jì)的。該電路可

　　以保證這些器件在系統(tǒng)加電的過(guò)程中，始終處于復(fù)位狀態(tài)，直到各供電電壓達(dá)到正常工作電壓。另外當(dāng)電平下降到門(mén)限值以下的時(shí)候，會(huì)強(qiáng)制芯片進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。

　　本監(jiān)控系統(tǒng)采用一片TI的TPS3307-33D作為電源檢測(cè)IC。該器件定義在其供電VDD>1.1V時(shí)其/Reset即可輸出有效的信號(hào)。如圖4所示，在本系統(tǒng)中，該電路可以完成對(duì)5V、3.3V和1.8V三種供電電壓的監(jiān)測(cè)，并可以對(duì)系統(tǒng)的三種器件(C6211、EPLD和AT89C2051)同時(shí)進(jìn)行上電復(fù)位和手工復(fù)位。

　　圖4 TPS3307電源監(jiān)控電路

　　其中+3.3V是TMS320C6211的I/O接口所需的電壓，這是DSP外圍接口電壓，必須能夠保持穩(wěn)定、持續(xù)供電。其外接的SDRAM和FLASH ROM都是3.3V器件，若電壓不穩(wěn)，這些器件無(wú)法穩(wěn)定工作，容易導(dǎo)致?lián)p耗甚至燒毀這些器件。

　　+1.8V供電是為了滿足TMS320C6211的CPU核心工作電壓需要。對(duì)于TMS320C6211來(lái)說(shuō)，其工作頻率為150MHz，對(duì)電壓的變化非常敏感。電壓過(guò)高會(huì)使器件損傷，電壓過(guò)低芯片會(huì)自動(dòng)復(fù)位。

　　應(yīng)用心得

　　通過(guò)用TPS3307芯片進(jìn)行電壓監(jiān)控設(shè)計(jì)，不僅了解了部分TI模擬器件，而且還從中發(fā)覺(jué)高速電路板設(shè)計(jì)中電源設(shè)計(jì)及監(jiān)控的重要性。這些重要性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)問(wèn)題里面。

　　(1)電源熱處理

　　熱處理對(duì)任何系統(tǒng)都是一大難題。電源系統(tǒng)在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的熱量。當(dāng)系統(tǒng)未提供空氣對(duì)流或環(huán)境溫度較高時(shí)，散熱器是必需的。風(fēng)扇提供的氣流能簡(jiǎn)化電源的設(shè)計(jì)，但增加了噪音，降低了可靠性。

　　本系統(tǒng)中由于主板上置有散熱風(fēng)扇，而且電源的功率不太大，故不單獨(dú)采用散熱器。

　　(2)EMI處理

　　電磁干擾是開(kāi)關(guān)電源和電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的主要設(shè)計(jì)問(wèn)題。必須考慮各種噪聲：傳導(dǎo)、輻射、共模和差模噪聲。共模噪聲是系統(tǒng)噪聲最重要的來(lái)源，在DC-DC變換器中，共模噪聲是初級(jí)與次級(jí)間流通的電流引起的，它是主開(kāi)關(guān)器件和輸入-輸出耦合電容上電壓瞬變過(guò)程的函數(shù)。

　　由于開(kāi)關(guān)電源中通常包含有高頻信號(hào)，PCB上任何印制線都可以起到天線的作用，印制線的長(zhǎng)度和寬度會(huì)影響其阻抗和感抗，從而會(huì)影響到頻率響應(yīng)。即使是通過(guò)直流信號(hào)的印制線也會(huì)從鄰近的印制線耦合到射頻信號(hào)并造成電路問(wèn)題，甚至再次輻射出干擾信號(hào)。

　　因此應(yīng)將所有通過(guò)交流的印制線設(shè)計(jì)得盡可能的短而寬，這意味著必須將所有連接到印制線和其他電源線的元件放置得很近。印制線的長(zhǎng)度與其表現(xiàn)出的電感量和阻抗成正比，而寬度則與印制線的電感量和阻抗成反比。長(zhǎng)度反映出印制線響應(yīng)的波長(zhǎng)，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，印制線能發(fā)送和接受的電磁波頻率越低，它就能輻射出更多的射頻能量。

　　(3)電壓的穩(wěn)定性

　　高品質(zhì)的穩(wěn)定的工作電壓(或電流)是高速芯片(如DSP芯片)長(zhǎng)期有效工作的基本保證。一般電源系統(tǒng)僅僅是在電源芯片上大做文章，采用高效率電源芯片，在要求不高的場(chǎng)合沒(méi)有引入電源監(jiān)控系統(tǒng)。而在以高速芯片為核心的高速電路板上，影響供電電壓的因素繁多，既有器件上的原因，也有設(shè)計(jì)方案上的弊病;這些因素極大的改變了到達(dá)芯片的真實(shí)電壓，無(wú)法使芯片工作在額定的電壓，在條件惡劣的情況下甚至難以保證電壓的穩(wěn)定供電。因此，在高速芯片電路板設(shè)計(jì)中，要求引入電壓監(jiān)控體系，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓變化并進(jìn)行調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)高速芯片的高品質(zhì)電壓供電。在這方面，TI公司的TPS33xx系列芯片以其獨(dú)特的設(shè)計(jì)品質(zhì)在同行中得到廣泛認(rèn)同。TPS3305、TPS3306能夠同時(shí)監(jiān)控2路電壓，并具有溫度補(bǔ)償調(diào)整功能，而TPS3307性能

　　更高，不但同時(shí)可監(jiān)控2路電壓，還能自適應(yīng)的調(diào)整第三路被監(jiān)控電壓，芯片工作性能穩(wěn)定，而且3通道技術(shù)使其使用效率非常高。

　　(4)高功率和故障容錯(cuò)度的并聯(lián)技術(shù)

　　電源結(jié)構(gòu)常常用多個(gè)電源或多個(gè)電源變換器來(lái)增加輸出功率，或提供故障容錯(cuò)度。相同的獨(dú)立電源并聯(lián)工作是獲得高功率電源的既可靠又經(jīng)濟(jì)有效的方法。

　　(5)安全性

　　模塊化設(shè)計(jì)能夠獲得很好安全特性。電源系統(tǒng)輸入與輸出間電氣隔離是最基本的安全性要求。隔離型DC-DC變換器具有內(nèi)部變壓器來(lái)提供必要的保護(hù)，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。而非隔離型變換器需要一個(gè)外部變壓器。對(duì)給定的母線電壓，電壓越高，功率損耗就越低，且導(dǎo)體尺寸也越小。