巴俊皓，黃芝平

（國防科學技術大學 機電工程與自動化學院，長沙410073）

巴俊皓（碩士）、黃芝平（教授），研究方向為網(wǎng)電空間測控。

引 言

隨著無線通信技術的發(fā)展，復雜調制方式與編碼格式的使用使得多核數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）的應用越來越廣泛。電源是多核DSP 設計的基礎，也是多核DSP系統(tǒng)設計的一個重點。

為了保證電路工作正常，電源系統(tǒng)必須做到：①穩(wěn)定，在任何情況下都應正常工作；②電壓、上電順序、功率、紋波等滿足負載需求，保證多核DSP達到最好的工作性能；③擁有良好電磁兼容性，盡量少地影響其他器件的正常工作。除此之外，采用多核架構后，低功耗設計是必須考慮的因素［1］。

本文提出一種針對TI公司的高性能多核Keystone DSP的電源設計方案，并通過具體調試和測試，保證了多核DSP的高性能應用的穩(wěn)定性。

1 Keystone DSP簡介以及電源需求分析

Keystone DSP是TI公司推出的多核DSP，主要包括TMS320C66x系列定點以及浮點高性能DSP。Keystone DSP采用多核架構，每個內核在1.2GHz工作頻率下可以實現(xiàn)38.4GMAC 以及19.2GFLOPS的性能，片上交互網(wǎng)絡帶寬達到2Tbps。Keystone DSP包含一系列協(xié)處理器，包括FFT 加速器、Turbo編解碼器以及Viterbi譯碼器等［1］。

Keystone DSP 的電源主要包括固定電壓1.8 V、1.5V、1.0V 以及可變的0.9～1.1V 核心電壓。這些電源的最大功率可以通過TI提供的工具進行估算。這4種電源的主要功能以及電源所需要滿足的要求詳見表1。

表1 Keystone DSP電源需求

其中可變的核心電壓使用VID 接口向外部發(fā)出改變電壓的指令，電源必須能夠根據(jù)VID 指令來進行電壓調節(jié)。Keystone DSP目前只支持SmartReflect Class 0的動態(tài)電壓調整模式［2］，在上電后提供初始電壓（小于1.02V），然后在加載程序前根據(jù)程序的負載量作一次調節(jié)。

對于大部分無線通信以及醫(yī)療儀器應用，必須考慮開關電源的電磁兼容性問題，因為這些應用通常包括比較敏感的模擬前端。開關電源的電流通常比較大，不合理的布局以及器件選型會導致電磁兼容性問題。

2 數(shù)字電源硬件設計

Keystone DSP電源設計的難點主要集中在其核心電壓電源上：

①對于4核Keystone DSP（TMS320C6670）來說，核心電源CVDD的電流要求高達10A；

②要求通過VID命令調節(jié)電壓；

③上電順序要求比較復雜，因此采用數(shù)字電源設計更加具有靈活性。

本設計電源控制器采用UCD9222 生成PWM 波，UCD74111產(chǎn) 生15 A CVDD 電 源，UCD74106 產(chǎn) 生6 A CVDD1電源。

UCD9222是一個基于ARM V7的專用電源PWM 生成器，支持VID 命令電壓調節(jié)。通過TI Fusion Digital Power Designer上位機軟件可以設置VID參數(shù)，包括VID命令的位寬以及VID值所對應的具體電壓。［2］

UCD9222可以通過電源啟動時間以及電壓跟蹤來實現(xiàn)上電順序。根據(jù)負載芯片需求，通過設置電源啟動時間即可滿足要求。將CVDD 的上電延遲設置為0 ms，CVDD1的上電延遲設置為20ms，并將兩者的上電時間設置為5ms，可以滿足TMS320C6670的上電順序。

UCD9222采用數(shù)字閉環(huán)控制產(chǎn)生PWM 波，具體結構如圖1 所示。CVDD 的電壓值經(jīng)過濾波網(wǎng)絡后接入UCD9222，UCD9222自帶閉環(huán)控制器計算PWM 波的占空比；同時負載DSP向UCD9222發(fā)送VID指令調節(jié)內核電壓。閉環(huán)控制器的參數(shù)可以使用上位機程序進行設計。對于大多數(shù)應用場合，可以采取自動參數(shù)調整的方法進行參數(shù)整定，即可獲得較好的反饋控制效果。

圖1 UCD9222電壓反饋的功能模塊圖（僅畫出CVDD）

降壓開關電源中的電感L主要起到整流作用。電感L與輸出紋波以及瞬態(tài)響應都有很大關系。對電感電流在1個開關周期內進行積分可得

其中，VIN為輸入電壓，VOUT為輸出電壓，ΔI為電流波動值，F(xiàn)S為開關頻率。一般來說，電流波動值采用額定電流的40%。假設VIN＝12 V，VOUT＝1 V，ΔI＝40%I＝2.4A，F(xiàn)S＝400kHz，計算得出整流電感為1.0μH。

同時，輸出電容的容值以及等效串聯(lián)電阻很大程度上會影響輸出電壓的紋波電壓。紋波電壓可以用下式估計：

其中，ΔI為電流波動值，ESR 為等效串聯(lián)電阻，C 為電容容值，F(xiàn)S為開關頻率。

3 數(shù)字電源的調試

對于大多數(shù)電源模塊來說，調試相對比較簡單。而UCD9222包含動態(tài)電壓調整功能，因此參數(shù)的選定以及調試加大了難度。本文就UCD9222使用中遇到問題進行分析。

3.1 軟啟動故障的排除

對于大電流負載來說，通常負載電阻較小。當啟動時，瞬時增加的占空比會導致電流的急劇上升。UCD9222采取軟啟動策略，即以開關管所能響應最小脈寬作為啟動序列，慢慢增加脈寬。即使使用最小脈寬，在不正確的參數(shù)以及外圍電路的條件下，瞬時電流也有可能超出極限值，觸發(fā)FLT 信號，UCD9222在接收到了FLT報警信號后會立即關斷PWM 輸出［3］。開關管的啟動電壓可以用下式計算：

VSTART ＝PFSWVIN其中，VSTART為開關管的啟動電壓，P為開關管能最低響應的脈寬，F(xiàn)SW為開光管的頻率，VIN為開關管的輸入電壓。當VIN＝12V，P＝20ns，F(xiàn)SW＝1MHz時，VSTART＝0.24V。

假設VSTART可以視為作用于負載的階躍信號，負載的簡化原理圖如圖2所示。

圖2 負載簡化后的原理圖

那么，流過開關管的電流IL（t）的Laplace變換可以寫成：

當L＝0.47μH，C＝1mF，RL＝180mΩ，RS＝22mΩ時，使用MATLAB進行仿真，結果如圖3所示。

圖3 啟動電流的仿真波形

當t＝26.4μs時，輸出電流達到最大值6.07A，這個值雖然小于UCD74106的最大報警電流值，當考慮電路的實際特性時，瞬時峰值電流的實際值可能會比仿真結果大，進而觸發(fā)FLT 信號。

為了減小啟動時刻的過沖電流，可以考慮的策略包括：

①減小VSTART，可以采取的措施包括降低VIN值，降低開關頻率，嘗試以更低脈寬作為啟動序列。降低VSTART電壓后，會成比例地降低啟動過沖電流。

②增大整流電感值，雖然增大電感值可能會降低電源的瞬態(tài)反應，但是會降低開啟時的瞬時電流。

③在設計時選用電流冗余度更大的開關管或者選用支持PWM 調壓的開關電源模塊。進一步增大系統(tǒng)冗余度，降低設計難度。

④斷開FLT。在特殊情況下，瞬時過沖電流可能造成FLT 異常報警。由于UCD9222的控制已經(jīng)包含電壓的閉環(huán)控制以及電流的監(jiān)控，即使斷開FLT，也能夠提供一定的可靠性，但這對系統(tǒng)的穩(wěn)定性可能存在一定隱患。

將開關頻率調整至400 kHz，并將整流電感從0.47μH調整為2.2μH 后，系統(tǒng)恢復正常。

3.2 地彈噪聲的減小

地彈噪聲是由于變化的電流在感性回流路徑上產(chǎn)生的電動勢。［4］由電感電壓表達式U＝LdI／dt知，當電流發(fā)生變化時，地平面回路上會形成噪聲。由于開關電源的原理，在上下開關管交替開啟時會產(chǎn)生波動電流，產(chǎn)生的地彈噪聲峰峰值有可能高達數(shù)伏特并伴有大量高頻諧波，如圖4所示，進而干擾電路其他的部分。

圖4 地彈噪聲的波形

為了降低地彈噪聲，可以減少回流電感L，盡量使用多層電路板，構建完整的地平面。當DSP 作為模塊連接時，必須考慮接地方案的合理性。

此外，還可以采取減小電流波動值的措施來減小地彈噪聲。首先，可以適當增大整流電感值，由整流電感的設計公式可知，當電感值增加時，電流波動值減小，但這樣會降低電源的瞬態(tài)響應。然后，可以選擇低ESR 型的鉭電容進行去耦，減少由ESR產(chǎn)生的紋波。

將ESR為0.5Ω 的TAJE477＊010＃NJ鉭電容換為ESR為10 mΩ 的4TPF470ML 鉭聚合物電容，并改善部分不合理接地處，地彈噪聲能顯著降低。

4 動態(tài)數(shù)字電源測試結果

UCD9222提供電源監(jiān)控功能，可以使用上位機軟件讀取實時的電壓、電流、溫度等運行參數(shù)，如圖5所示。對DSP加載壓力測試程序，測試結果表明，該數(shù)字電源能實現(xiàn)DSP動態(tài)電壓調節(jié)的功能以及電流負載的調整。

圖5 電源運行監(jiān)視圖

結 語

本文給出了TI多核DSP的電源設計方法，使用數(shù)字電源的設計方法實現(xiàn)了動態(tài)電壓調節(jié)以及上電順序控制。通過分析UCD9222控制器調試中遇到的問題， 61 58 對UCD9222的參數(shù)設置以及外圍電路做出了進一步的闡述。實驗結果表明，UCD9222能夠滿足多核DSP的電源需求，達到了預期的設計目的。

［1］牛金海.TMS320C66xKeystone架構多核DSP 入門與實例精解［M］.上海：上海交通大學出版社，2014.

［2］Texas Instruments.UCD9222 Digital System PWM Control Datasheet，2010.

［3］Texas Instruments.Using the UCD92xx Digital Point－of－Load Controller Design Guide，2011.

［4］邵鵬.信號／電源完整性仿真分析與實踐［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.