基于 TPS54310的雷達視頻信號模擬器的電源設計
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雷達視頻信號模擬器是調試雷達信號處理機的重要設備，具有模擬環境和目標視頻回波信號功能，用于評估雷達信號處理器性能。由于模擬生成雷達視頻信號需要大量運算，為了保證系統的實時性，采用TI公司的TMS320C6713B DSP作為信號合成的核心元件，采用XIUNX的Spartan-IIE系列FPGA控制系統時序邏輯，從而增加系統設計的靈活性，簡化設計。由于TMS320C6713B DSP的MW核電壓為1．2 V,外圍I／O電壓為3．3 V;而FPGA的內核電壓為1．8 V，外圍I／O電壓為3．3 V，所以電源系統至少需要產生三種電壓。另外，必須考慮上電順序,如果只有DSP或FPGA的內核獲得供電,外圍I／O無供電,則不會損壞器件的,僅無輸入／輸出：反之，如果外圍I／O獲得供電而CPU內核無供電,那么器件緩沖／驅動部分的三極管將工作于未知狀態，這是非常危險的?？紤]到DSP的功耗較大，且本系統要求多片DSP同時工作，若采用線性電源。必產生較大的熱損耗，因此采用輸出電壓可調、高轉換率的開關電源實現電源系統的設計。
2 電源系統設計
本系統設計采用低電壓輸入、大電流輸出的同步PWM降壓式電壓轉換器TPS54310實現電源系統設計,采用TPS54310只需少量外圍元件,60 mΩ的MOSFET開關管可保證在持續3 A的輸出電流時轉換率高于92％；通過配置外圍元件產生0．9 V、1．2 V、1．5 V、1．8 V、2．5 V、3．3 V的電壓，PWM頻率范圍為280 kHz~700 kHz：利用峰值電流限制和熱關斷實現過載保護：強散熱型PWP封裝具有更好的散熱功能。此外，TI公司還提供該系列電源器件的設計工具一SWIFT軟件，可輔助完成電源系統設計，縮短研發周期。
2．1 內核電壓及外圍I/O電壓
由于TPS54310可通過調節外圍電阻的阻值，產生系統所需1．2 V、1．8 V、3．3 V，其各路電壓產生的電路原理圖如圖1～圖3所示，圖1產生1．2 V電壓,圖2產生1．8 V電壓，圖3可產生3．3 V電壓，因各電路原理基本相似，本文以圖1為例說明如何調整輸出電壓的幅值，以滿足電源系統要求。圖1中只需調節R144與R150，使其滿足如下公式：
R144=(R1500．890)／(Vo-0．891) (1)
R150取10 kΩ,因圖1產生1．2 V的電壓(Vo)，式1可得R144的阻值約為26．1 kΩ。
本設計中所有TPS54310的開關頻率都設置為700 kHz，該頻率的設置通過式2計算。以圖1為例，其中fSW為可設置的開關頻率，其設置范同為280kHz～700 kHz，同時要求SYNC保持開路狀態。
R136=(100 KΩ/fSW)500 kHz (2)
故R136的阻值約為71．5 kΩ。
設置輸出濾波電路可通過SWIFT軟件計算。
2．2 順序上電
系統采用TI公司的TMS320C67-13B DSP和Xilinx的Spartan-IIE系列FPGA，這兩種器件均需內核電壓和外同I／O電壓。上電時，要保證內核先加電,外圍I／O后加電；掉電時,應先關斷外圍I／O電源，再關斷內核電源。
實現內核電壓與外圍I／O電壓的順序供電,可通過調整TPS54310的SS／ENA引腳所連接的電容并利用其PWRGD和SS／ENA信號滿足順序供電要求。SS／ENA引腳通過一只小容量電容接地,實現使能、輸出延遲和電壓上升延遲，其延遲時間與容值成正比：
其中：td為輸出延時時間（s）；C（88）為SS／ENA引腳所接電容(μF)；t(SS)為輸出電壓上升延遲時間(s)。本系統設計的內核電壓電路中C(SS)=0．039μF，如圖1、圖2所示。而外圍I／O電壓電路中C(SS)=0．1 μF，如圖3所示。根據式(3)、式(4)計算內核電壓的td、t(SS)分別為9.36 ms和5．46 ms；外圍I／O電壓的td、t(SS)分別為24 ms和14 ms。將產生內核電壓的TPS54310的PWRGD引腳接至SS／ENA引腳,這樣，即使電容擊穿，在開始上電時,產生內核電壓的TPS54310的輸出未達到閾值，PWRGD輸出低電平，產生外圍I／O電壓的TPS54310處于關閉狀態，直至內核電壓穩定。這樣可確保內核先上電：掉電時，產生內核電壓的TPS54310的輸出低于閾值，PWRGD引腳輸出低電平，產生外圍I／O電壓的TPS54310的輸出關斷，保證外圍I／O先斷電。
3 電壓監控與復位電路
在雷達視頻信號模擬器的設計中，由于視頻卡電路的高頻特性，開關的電磁輻射和線路噪聲都將干擾電路的器件工作電壓。且DSP、FPGA對其工作電壓要求較高，偏差不能超過5％，一旦工作電壓超出該偏差，長時間工作容易縮短器件壽命甚至燒
毀。因此，系統設計需要通過電壓監控電路實時監控器件工作電壓，確保系統提供穩定正常的電壓。
電壓監控電路的工作原理：系統上電期間，監控器件的復位信號保持有效，使DSP和其他器件始終處于復位狀態，一旦監控的電壓值都達到規定的門限電壓，則釋放復位，DSP等器件即可正常工作。在工作過程中，如果任一監控電壓低于門限值，監控器件再次發送復位信號使系統復位。
電壓監控與復位電路采用TI公司的TPS3307-18D實現。TPS3307-18D是一款微處理器電源控制器，可同時輸出高電平有效和低電平有效的復位信號；同時監控三路獨立的電壓：3．3 V、1．8 V、可調電壓；具有內部定時器，復位后即使監控電壓均已
超過門限值，仍需200 ms才能退出復位狀態,這樣可確保系統在復位期間完成初始化。本系統的DSP、FPGA等器件的復位信號均是低電平有效,因此采用TPS3307-18D的RESET信號實現復位,采用RESET作為復位指示，實現系統中的3．3 V、1．8 V、1．2 V(放大到3．6 V)的電壓監控，電壓監控與復位電路如圖4所示。只要TPS3307-18D的供電電壓高于1．1 V，當所監控電壓中任意一個電壓低于其門限值，就可發出復位信號，使相關器件復位。另外，TpS3307-18D還具有一個手動復位信號,通過復位按鈕手動復位。
4 PCB布局及外圍器件選擇
由于開關DC-DC存在高頻干擾,故在PCB布局及外圍器件選擇時應注意合理布線及選擇恰當的外圍器件，能有效降低開關噪聲。布線中應注意的是：輸出電容的位置要靠近電感的輸出端：功率電感布線要盡量寬；誤差放大器的反饋輸入端要遠離功率電感等。為使TPS54310在大負載下正常工作，要使其熱焊盤大面積接地，加快散熱；而其外圍器件則應選用帶有屏蔽罩的功率電感和低ESR的輸出電容。
5 結束語
經使用證明，本系統設計的電源系統能為雷達視頻模擬器提供穩定的電源，同時轉換率高達92％、輸出電壓紋波小于0．05 V、輸出功率最大可達19 W、動態響應快。另外，電壓監控與復位電路使整個系統長期穩定工作，同時也避免因電壓波動而造成DSP加載異常，所以本系統設計的電源系統也適用于其他DSP系統應用場合。
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