電源監(jiān)控在高速電路板中的重要性
電源在所設計系統(tǒng)的設備中可以說是最簡單的器件，但卻必須放在整機設計的最后考慮。為了保證整機的可靠運轉，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，開關的電磁輻射和線路噪音都會干擾到達電路器件電壓，即器件的實際工作電壓。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范圍，長時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)控電路來實現(xiàn)對電壓的實時監(jiān)控，以期電源能夠為芯片提供合格而穩(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體市場的領導者，在電源管理產品及接口方面保持著領先的地位。TI(德州儀器公司)在很早以前就發(fā)明了供應電壓.(Supply-Voltage Supervisor，SVSs)，并新近開發(fā)出TPS330x系列產品，這些產品結合了芯片內集成、省電結構設計和新的低電壓選項，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固定延時的上電復位發(fā)生器，無需外部擴展電容;
(3) 電壓溫度補償;
(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)視兩種獨立電壓，并且還可以控制另外一種電壓，這種電壓可以獨立調整并內在與復位邏輯電路相連。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，可連接一個外部復位觸發(fā)設備來實現(xiàn)電路人工復位;/RESER輸出低電平有效復位信號;RESET輸出高電平有效復位信號。其內部電路模塊圖表示如下圖2所示。
圖2 TPS3307芯片內部模塊圖
從圖中可以看出，電壓監(jiān)控有內置晶振，核心部分非常穩(wěn)定，并且具有溫度補償參考電壓體系。第一、第二監(jiān)控電壓被內部電阻反壓后與比較器的參考電壓進行比較。SENSE 3管腳的輸入電壓直接與1.25V參考電壓進行比較。基于TPS3307的一種典型的電壓監(jiān)控應用可以用圖3的模塊圖表示。該電路可以同時監(jiān)控2.5V、3.3V和5V三種電壓。
如果SENSE 3的輸入電壓為2.5V，經內置分壓電阻分壓后，通過計算門檻電壓VIT-可以得知，SENSE 3可以很好的監(jiān)控2.5V電壓。具體計算過程為：
這個值非常適合用于2.5V電源供電。
圖3 TPS3307應用方案
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)中的應用
本系統(tǒng)是采用TI TMS320C6211芯片處理通過攝像頭拍攝并經過A/D轉換后的圖像。DSP對圖像進行壓縮后，由DSP的HPI口通過TI的PCI2040芯片上傳到上位機主板上，與上位機的PCI總線進行通信。系統(tǒng)設計中關鍵是視頻處理卡的設計，由于市場上能夠買到的視頻卡一般功能都有限，不能滿足本項目的需求，故自行設計一塊視頻卡。
在視頻卡設計中，電源模塊設計非常關鍵，它直接影響著視頻卡的最后實現(xiàn)和穩(wěn)定運行。電源設計包括兩個部分：供電系統(tǒng)和電源檢測及上電復位系統(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計。在選擇5V-3.3V DC-DC電壓泵時，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，供電電流要大于830mA。
該系統(tǒng)中的電源檢測及上電復位電路，是為保證系統(tǒng)在供電未達工作電壓前，各器件不會處于不受控制的狀態(tài)而設計的。該電路可
以保證這些器件在系統(tǒng)加電的過程中，始終處于復位狀態(tài)，直到各供電電壓達到正常工作電壓。另外當電平下降到門限值以下的時候，會強制芯片進入復位狀態(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)同時進行上電復位和手工復位。
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復位。
應用心得
通過用TPS3307芯片進行電壓監(jiān)控設計，不僅了解了部分TI模擬器件，而且還從中發(fā)覺高速電路板設計中電源設計及監(jiān)控的重要性。這些重要性主要體現(xiàn)在以下幾個問題里面。
(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)在工作過程中會產生很大的熱量。當系統(tǒng)未提供空氣對流或環(huán)境溫度較高時，散熱器是必需的。風扇提供的氣流能簡化電源的設計，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扇，而且電源的功率不太大，故不單獨采用散熱器。
(2)EMI處理
電磁干擾是開關電源和電源監(jiān)控系統(tǒng)設計人員面臨的主要設計問題。必須考慮各種噪聲：傳導、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。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。
因此應將所有通過交流的印制線設計得盡可能的短而寬，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，也有設計方案上的弊病;這些因素極大的改變了到達芯片的真實電壓，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計中，要求引入電壓監(jiān)控體系，通過實時監(jiān)控電壓變化并進行調整來實現(xiàn)對高速芯片的高品質電壓供電。在這方面，TI公司的TPS33xx系列芯片以其獨特的設計品質在同行中得到廣泛認同。TPS3305、TPS3306能夠同時監(jiān)控2路電壓，并具有溫度補償調整功能，而TPS3307性能
更高，不但同時可監(jiān)控2路電壓，還能自適應的調整第三路被監(jiān)控電壓，芯片工作性能穩(wěn)定，而且3通道技術使其使用效率非常高。
(4)高功率和故障容錯度的并聯(lián)技術
電源結構常常用多個電源或多個電源變換器來增加輸出功率，或提供故障容錯度。相同的獨立電源并聯(lián)工作是獲得高功率電源的既可靠又經濟有效的方法。
(5)安全性
模塊化設計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變換器具有內部變壓器來提供必要的保護，從而簡化了系統(tǒng)的設計。而非隔離型變換器需要一個外部變壓器。對給定的母線電壓，電壓越高，功率損耗就越低，且導體尺寸也越小。