基于 TPS54310的雷达视频信号模拟器的电源设计

1 引言
    雷达视频信号模拟器是调试雷达信号处理机的重要设备，具有模拟环境和目标视频回波信号功能，用于评估雷达信号处理器性能。由于模拟生成雷达视频信号需要大量运算，为了保证系统的实时性，采用TI公司的TMS320C6713B DSP作为信号合成的核心元件，采用XIUNX的Spartan-IIE系列FPGA控制系统时序逻辑，从而增加系统设计的灵活性，简化设计。由于TMS320C6713B DSP的MW核电压为1．2 V,外围I／O电压为3．3 V;而FPGA的内核电压为1．8 V，外围I／O电压为3．3 V，所以电源系统至少需要产生三种电压。另外，必须考虑上电顺序,如果只有DSP或FPGA的内核获得供电,外围I／O无供电,则不会损坏器件的,仅无输入／输出：反之，如果外围I／O获得供电而CPU内核无供电,那么器件缓冲／驱动部分的三极管将工作于未知状态，这是非常危险的。考虑到DSP的功耗较大，且本系统要求多片DSP同时工作，若采用线性电源。必产生较大的热损耗，因此采用输出电压可调、高转换率的开关电源实现电源系统的设计。

2 电源系统设计
    本系统设计采用低电压输入、大电流输出的同步PWM降压式电压转换器TPS54310实现电源系统设计,采用TPS54310只需少量外围元件,60 mΩ的MOSFET开关管可保证在持续3 A的输出电流时转换率高于92％；通过配置外围元件产生0．9 V、1．2 V、1．5 V、1．8 V、2．5 V、3．3 V的电压，PWM频率范围为280 kHz~700 kHz：利用峰值电流限制和热关断实现过载保护：强散热型PWP封装具有更好的散热功能。此外，TI公司还提供该系列电源器件的设计工具一SWIFT软件，可辅助完成电源系统设计，缩短研发周期。
2．1 内核电压及外围I/O电压
    由于TPS54310可通过调节外围电阻的阻值，产生系统所需1．2 V、1．8 V、3．3 V，其各路电压产生的电路原理图如图1～图3所示，图1产生1．2 V电压,图2产生1．8 V电压，图3可产生3．3 V电压，因各电路原理基本相似，本文以图1为例说明如何调整输出电压的幅值，以满足电源系统要求。图1中只需调节R144与R150，使其满足如下公式：
    R144=(R150×0．890)／(Vo-0．891)              (1)
    R150取10 kΩ,因图1产生1．2 V的电压(Vo)，式1可得R144的阻值约为26．1 kΩ。
    本设计中所有TPS54310的开关频率都设置为700 kHz，该频率的设置通过式2计算。以图1为例，其中fSW为可设置的开关频率，其设置范同为280kHz～700 kHz，同时要求SYNC保持开路状态。
    R136=(100 KΩ/fSW)×500 kHz                   (2)
    故R136的阻值约为71．5 kΩ。
    设置输出滤波电路可通过SWIFT软件计算。

2．2 顺序上电
    系统采用TI公司的TMS320C67-13B DSP和Xilinx的Spartan-IIE系列FPGA，这两种器件均需内核电压和外同I／O电压。上电时，要保证内核先加电,外围I／O后加电；掉电时,应先关断外围I／O电源，再关断内核电源。
    实现内核电压与外围I／O电压的顺序供电,可通过调整TPS54310的SS／ENA引脚所连接的电容并利用其PWRGD和SS／ENA信号满足顺序供电要求。SS／ENA引脚通过一只小容量电容接地,实现使能、输出延迟和电压上升延迟，其延迟时间与容值成正比：

    其中：td为输出延时时间（s）；C（88）为SS／ENA引脚所接电容(μF)；t(SS)为输出电压上升延迟时间(s)。本系统设计的内核电压电路中C(SS)=0．039μF，如图1、图2所示。而外围I／O电压电路中C(SS)=0．1 μF，如图3所示。根据式(3)、式(4)计算内核电压的td、t(SS)分别为9.36 ms和5．46 ms；外围I／O电压的td、t(SS)分别为24 ms和14 ms。将产生内核电压的TPS54310的PWRGD引脚接至SS／ENA引脚,这样，即使电容击穿，在开始上电时,产生内核电压的TPS54310的输出未达到阈值，PWRGD输出低电平，产生外围I／O电压的TPS54310处于关闭状态，直至内核电压稳定。这样可确保内核先上电：掉电时，产生内核电压的TPS54310的输出低于阈值，PWRGD引脚输出低电平，产生外围I／O电压的TPS54310的输出关断，保证外围I／O先断电。

3 电压监控与复位电路
    在雷达视频信号模拟器的设计中，由于视频卡电路的高频特性，开关的电磁辐射和线路噪声都将干扰电路的器件工作电压。且DSP、FPGA对其工作电压要求较高，偏差不能超过5％，一旦工作电压超出该偏差，长时间工作容易缩短器件寿命甚至烧
毁。因此，系统设计需要通过电压监控电路实时监控器件工作电压，确保系统提供稳定正常的电压。
    电压监控电路的工作原理：系统上电期间，监控器件的复位信号保持有效，使DSP和其他器件始终处于复位状态，一旦监控的电压值都达到规定的门限电压，则释放复位，DSP等器件即可正常工作。在工作过程中，如果任一监控电压低于门限值，监控器件再次发送复位信号使系统复位。
    电压监控与复位电路采用TI公司的TPS3307-18D实现。TPS3307-18D是一款微处理器电源控制器，可同时输出高电平有效和低电平有效的复位信号；同时监控三路独立的电压：3．3 V、1．8 V、可调电压；具有内部定时器，复位后即使监控电压均已
超过门限值，仍需200 ms才能退出复位状态,这样可确保系统在复位期间完成初始化。本系统的DSP、FPGA等器件的复位信号均是低电平有效,因此采用TPS3307-18D的RESET信号实现复位,采用RESET作为复位指示，实现系统中的3．3 V、1．8 V、1．2 V(放大到3．6 V)的电压监控，电压监控与复位电路如图4所示。只要TPS3307-18D的供电电压高于1．1 V，当所监控电压中任意一个电压低于其门限值，就可发出复位信号，使相关器件复位。另外，TpS3307-18D还具有一个手动复位信号,通过复位按钮手动复位。

4 PCB布局及外围器件选择
    由于开关DC-DC存在高频干扰,故在PCB布局及外围器件选择时应注意合理布线及选择恰当的外围器件，能有效降低开关噪声。布线中应注意的是：输出电容的位置要靠近电感的输出端：功率电感布线要尽量宽；误差放大器的反馈输入端要远离功率电感等。为使TPS54310在大负载下正常工作，要使其热焊盘大面积接地，加快散热；而其外围器件则应选用带有屏蔽罩的功率电感和低ESR的输出电容。

5 结束语
    经使用证明，本系统设计的电源系统能为雷达视频模拟器提供稳定的电源，同时转换率高达92％、输出电压纹波小于0．05 V、输出功率最大可达19 W、动态响应快。另外，电压监控与复位电路使整个系统长期稳定工作，同时也避免因电压波动而造成DSP加载异常，所以本系统设计的电源系统也适用于其他DSP系统应用场合。