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)備中可以說是最簡單的器件，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)，對供電系統(tǒng)的要求越來越高。
在高速電路板中，例如視頻處理卡，由于電路的高頻特性，開關(guān)的電磁輻射和線路噪音都會干擾到達(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芯片等對工作電壓的要求非常高，一般都要求電壓偏差不超過5%，若芯片的供電電壓為3.3V，即電壓偏差不能超過0.165V。否則，一旦工作電壓超出這個(gè)范圍，長時(shí)間工作容易縮短壽命甚至于燒毀。因此，在電路中需要通過電壓監(jiān)控電路來實(shí)現(xiàn)對電壓的實(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TPS33X－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)備來實(shí)現(xiàn)電路人工復(fù)位；/RESER輸出低電平有效復(fù)位信號；RESET輸出高電平有效復(fù)位信號。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。基于TPS3307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，通過計(jì)算門檻電壓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芯片處理通過攝像頭拍攝并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的圖像。DSP對圖像進(jìn)行壓縮后，由DSP的HPI口通過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)和電源檢測及上電復(fù)位系統(tǒng)。對供電系統(tǒng)來說，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)電平下降到門限值以下的時(shí)候，會強(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。如圖4所示，在本系統(tǒng)中，該電路可以完成對5V、3.3V和1.8V三種供電電壓的監(jiān)測，并可以對系統(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。對于TMS320C6211來說，其工作頻率為150MHz，對電壓的變化非常敏感。電壓過高會使器件損傷，電壓過低芯片會自動(dòng)復(fù)位。
應(yīng)用心得
通過用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)問題里面。
（1）電源熱處理
熱處理對任何系統(tǒng)都是一大難題。電源系統(tǒng)在工作過程中會產(chǎn)生很大的熱量。當(dāng)系統(tǒng)未提供空氣對流或環(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)噪聲最重要的來源，在DC－DC變換器中，共模噪聲是初級與次級間流通的電流引起的，它是主開關(guān)器件和輸入－輸出耦合電容上電壓瞬變過程的函數(shù)。
由于開關(guān)電源中通常包含有高頻信號，PCB上任何印制線都可以起到天線的作用，印制線的長度和寬度會影響其阻抗和感抗，從而會影響到頻率響應(yīng)。即使是通過直流信號的印制線也會從鄰近的印制線耦合到射頻信號并造成電路問題，甚至再次輻射出干擾信號。
因此應(yīng)將所有通過交流的印制線設(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。長度反映出印制線響應(yīng)的波長，長度越長，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，在要求不高的場合沒有引入電源監(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，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓變化并進(jìn)行調(diào)整來實(shí)現(xiàn)對高速芯片的高品質(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)部變壓器來提供必要的保護(hù)，從而簡化了系統(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。
參考文獻(xiàn)
1. TPS3307-18, TPS3307-25, TPS3307-33 TRIPLE PROCESSOR SUPERVISORS. TI Databook,2000