用于DM642的降压式开关电源LT1767

摘 要：本文采用功耗大、纹波系数要求高的LT1767EMS8开关电源设计了稳压电路，分析了设计时的一些重要问题，并比较了几种稳压电路方案的优缺点，同时分析了TMS320DM642对电源的指标要求。
关键词： DSP；开关电源；滤波

引言
随着嵌入式技术的发展，嵌入式设备集成度越来越高。电源作为重要的系统辅助电路，必须满足以下三个条件：能提供一个稳定可靠的输出电源；占用尽可能少的PCB面积；有较高的转换效率。否则，系统的可靠性和散热性等都很难达到系统设计要求。下面我们以TI的一款多媒体处理器为例，重点阐述系统对第一个条件的要求。
TMS320DM642(简称DM642)时钟频率最高可达600MHz，机器周期为1.67ns，速度最高可达4800MIPS。该芯片速度快、外围资源丰富，可应用于H.264视频网络摄像机。但DM642对于电源要求比较高，其接口电源为3.3V±160mV，峰值电流可达360mA,内核电源为1.4V±40mV，峰值电流更是高达800 mA，其纹波系数要求及功率要求都较高。为此，我们必须设计一个纹波特性较好的电源电路。
本文首先介绍了现在常用的几种方案的优缺点，再给出本电源设计的详细方案，最后给出此设计的应用效果。

图1 LDO参考电路

几种电源设计方案的比较
在嵌入式系统中，常用的电源有低压差稳压电源(LDO)及开关电源(DC/DC)。
低压差稳压电源是一种线性稳压电源。所谓低压差，是指稳压电源自身的功率损耗与输入输出电压的压差成正比。现时的低压差稳压电源的压差一般可达1.2V，其损耗功率由式(1)所示。对于低功率系统，采用结构简单的LDO是最节省面积的方案，价格便宜，并且可以很好的满足纹波系数要求。图1为LDO的一个参考电路。但是LDO的转换效率一般比较低，因此必须考虑它的发热问题。以Vin表示输入电压，Vout表示输出电压， Iout表示输出电流，P表示损耗功率。
(1)
如Vin采用5V供电，则1.4V电源在峰值时损耗功率将高达2.88W，转换效率只有30％，即使在输入端用两二极管降压(假设每个管降0.6V)，功耗也将达到1.92W，其发热量仍很大。这里说明一下，LDO的输入电压一般要高于3.2V，否则不能正常工作。

图2 LT1767EMS8引脚图

DC/DC开关电源为PWM脉宽调制，它采用固定频率来调节电路开关器件的导通时间，从而控制电路的平均输出电压。开关电源体积小，转换效率高(一般可达70％以上)，同时开关电源的输入在一定范围内可调。但相对于LDO，开关电源的设计相对复杂得多，其匹配网络电路较多，电路复杂，LC滤波电路性能要求较高，同时对于PCB布线要求也非常高，因此采用开关电源时，最好可以选取电路较简单的方案。
TI公司的EVM板上采用的是TPS54310，其精度可达1％，开关频率为280KHz~700KHz，采用TSOP 20脚封装。在EVM板上负载测量，其纹波小于20mV。但用户在自行设计时，有三点需要引起注意：TPS54310对于LC电路的参数要求较高，较难购买到适用的磁鼓与电容；匹配网络较多，电路相对复杂，成本高；布线要求非常高。所以，要达到要求的设计指标非常困难，采用该方案实现难度较大。

系统电路设计方案
本设计采用开关电源芯片LT1767EMS8，其主要特性为：开关电流峰值1.5A；恒定1.25MHz开关频率；无须外部MOSFET；2.7V~25V宽输入范围；高达90%的高效率；1.2V反馈基准电压；6mA低关闭电流；微型MSOP-8封装；有1.8V、2.5V、3.3V及5V四种固定输出型号及一种可调型号。
LT1767DMS8各引脚如图2所示。其中，BOOST为内部三极管开关驱动端，为开关三极管提供驱动；SW为开关电压输出端；为欠压保护引脚，当低于1.3V时关闭开关调节器，如不使用该功能可以直接悬空；FB为反馈端，用于调节输出端电压，对于固定输出型号，其调节电阻已内部集成，对于输出可调型，调节电阻须外接；VC为误差放大器输出端及电流比较器的输入端，常用作频率补偿，接地时电压输出禁止；SYNC为同步端，用于与外部时钟同步。

图3 工作电路图

工作电路
图3为1.4V电源电路，采用＋12V直流输入，欠压保护端及同步端都不用，BOOST端由输出端供电，并由输入端经二极管降压保护充电。输出端由L1及C37进行滤波，并由肖特基二极管D11吸收反向电流，反馈端由R37，R36组成反馈网络，取值由式(2)得：
(2)
实际上，R37/R36=1/6即可;VC端接RC网络。对于3.3V输出电路，采用的是3.3V固定输出型， R36与R37已内部集成，因此直接把FB引脚与VCC3.3端相接。
DM642电源参数要求
采用内核为1.4V±40mV的双电源供电，接口电源为3.3V±160mV。首先，内核要先于接口上电，实际两路电源的上电时间差小于1ms就可保证正常工作。这里由于采用的是同一个+12V输入电源，而且两路采用的是同型号开关电源，为节省空间，两路电源输出直接与DSP相连。当然为保险起见，可以用三个功率二极管串联接到3.3V与1.4V之间，当3.3V电源上电快时，由3.3V向1.4V充电。其次，由于内核对电源要求较高，其波动只能在±40mV以内，否则将会影响DSP工作寿命。
LC网络参数说明
对于LC网络，电容的ESR指标及其高频特性，对滤波的效果影响很大。以TPS54310为例，它要求ESR小于0.015W，而这里只需小于0.3W即可。这里选用普通钽电容，并联贴片0.1mF小电容。对于磁鼓，其DCR(直流电阻)指标非常重要，TPS54310要求为0.017W，这里最大可达0.28W，选型非常方便。这里选用的是PSCDS73T-100M-S，DCR为0.07Ω，同时建议采用屏蔽型磁鼓，以降低辐射。
输出整流管的选型
输出整流管尽量选取具有软恢复功能的二极管，它对于输出电压的尖峰电压起到非常好的吸收作用。这里选用的是肖特基二极管，型号为PRLL5819。
布线要求
对于开关电源来说，其布线要求非常高。实验证明，即使电路原理正确或者是两个完全一样的电路图，布线不一样时，其效果差异也可能较大，甚至不能正常工作。这里建议参考数据手册，电源部分采用手工布线，否则难以达到理想效果。这里介绍一下，我们在调试时的一些经验：首先，线尽可能短而粗，特别是输入端与输出端；其次，输出端直接分成两路走线，一路到磁鼓(L1)，一路到整流管(D11)；反馈线要远离磁鼓(L1)，以避免辐射；空余地方全部布上地线，两个电源独立开来，用地线包围并隔离；所有器件尽可能放在同一面上，由于开关电源自身有高频辐射，因此与其它功能单元要分隔开；最后，地线采用双点相接，一点在输入端，另一点在输出端，其余的地线各自独立，两路稳压电路的电源线对外只提供一个输入端与输出端，以尽可能地避免彼此串扰。

结语
该DM642系统电源方案，现已在H.264视频网络摄像机上应用。1.4V电源的纹波系数小于50mV，3.3V电源的纹波系数小于70mV，很好地满足了TMS320DM642的应用要求。整个开关电源电路共用了22个器件，占用面积较少。高于90％的电源转换效率保证了电源部分的发热量，基本感觉不到器件的发热。
整个系统电路结构简单，外围电路少，效率高，同时芯片价格便宜，是开发性价比较高的一种方案。■

参考文献：
1 沙占友等. 新型单片开关电源的设计与原用[M]. 北京: 电子工业出版社，2001年
2 齐美彬、杨艳芳、蒋建国. 监控电路MAX706在图像压缩终端中的应用 [J]. 合肥工业大学学报 2001，24(5)：931~934