陳 川,閆 昆,劉小劍,張 坤

(中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所,西安 710065)

多核DSP供電設(shè)計及其環(huán)境適應(yīng)性分析

陳 川*,閆 昆,劉小劍,張 坤

(中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所,西安 710065)

為了解決多核DSP在特殊應(yīng)用環(huán)境下的供電問題,以TI公司的新型多核DSP TMS320C6678為研究對象,首先提出一種有效的核心供電解決方案,隨后使用TI仿真監(jiān)測軟件Fusion Design對此方案的環(huán)境適應(yīng)性進行分析,進而提出一種創(chuàng)新的更適合多核DSP在功耗陡增時的供電解決方案。通過仿真分析和實測結(jié)果證明,所設(shè)計的多核DSP電源供電電路能夠滿足使用要求,具有很高的實用價值。

電源;多核DSP;TMS320C6678;環(huán)境適應(yīng)性

TI公司的DSP TMS320C6678是一款基于KeyStone架構(gòu)的高性能處理器,片內(nèi)有8個內(nèi)核,每個核頻率可達1.25 GHz,定點運算處理能力40 GMAC,浮點運算處理能力20 GFLOP,8核同時工作時處理速度可達10 GHz。TMS320C6678如此優(yōu)良的性能,尤其加之在更為密閉的彈載產(chǎn)品應(yīng)用中,使得其對電源部分的設(shè)計提出了更高的要求,普通的穩(wěn)壓電源早已不能滿足要求,電源設(shè)計在整個產(chǎn)品設(shè)計中就顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)

圖1 產(chǎn)品系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)圖

某型彈載計算機產(chǎn)品系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)如圖1所示。產(chǎn)品采用統(tǒng)一的5 V進行供電,DSP的普通接口電壓1.8 V由DC/DC電源芯片提供,DSP的DDR3接口電壓1.5 V由DDR3專用電源芯片提供,DSP的內(nèi)核電壓CVDD和1.0 V由UCD9222和UCD7242配合提供。TMS320C6678對于上電順序有明確要求,在本設(shè)計中采用1.8 V—CVDD—1.0 V—1.5 V的上電順序。其中CVDD與1.0 V的順序通過對UCD9222編程實現(xiàn),其他電源的上電順序通過硬件自身級聯(lián)控制和FPGA邏輯控制實現(xiàn)。

2 DSP核心供電設(shè)計

多核處理器的核心電壓CVDD和1.0 V選用UCD9222和UCD7242配合完成。UCD9222是數(shù)字PWM系統(tǒng)控制器,可以控制兩路獨立的DC/DC電源輸出,開關(guān)頻率達到2 MHz。UCD9222的控制途徑主要有兩種:一種是通過VID接口,其需要有處理器或?qū)Ｓ眉呻娐返目刂?另一種是通過PMBus電源管理總線,通過PMBus命令對UCD9222進行控制調(diào)節(jié)。本設(shè)計中采用PMBus方式對UCD9222進行在線調(diào)試和編程固化,而采用DSP的VID信號反饋到UCD9222的VID接口來實現(xiàn)對電壓的實時調(diào)整。

UCD7242 是與UCD9222完全兼容的驅(qū)動芯片,可以產(chǎn)生兩個獨立的電源,可以供應(yīng)CVDD(內(nèi)核電壓)與1.0 V(SRIO、SGMⅡ等)。UCD7242接收UCD9222的脈沖寬度調(diào)制波,通過控制MOSFET開關(guān)的時間來控制輸出電壓的大小。同時UCD7242產(chǎn)生反饋信號返回UCD9222,方便電源控制芯片對輸出電壓的情況作出及時的反應(yīng)。為保證UCD9222和UCD7242的正常工作,在各自工作電壓輸入端增加了電容來減少電壓紋波。DSP核心電壓供電方案如圖2所示。

圖2 DSP核心電壓供電方案

3 DSP核心供電軟件控制

UCD9222控制器內(nèi)部有專用集成電路,其支持PMBus電源管理總線,需要使用PMBus命令對其進行操作,為了方便使用,可以通過Fusion Digital Power Designer軟件可以對其進行配置、監(jiān)控和管理,這樣可以避開使用底層的PMBus命令語句進行操作。在操作界面進行配置之后,可以通過USB適配器下載固化到UCD9222內(nèi)部的Flash中,從而實現(xiàn)相應(yīng)的配置功能。

在本設(shè)計中,為多核DSP設(shè)計的核心供電為0.9 V(rail#1)和1.0 V(rail#2),兩者上升時間均設(shè)置為5 ms,rail#2比rail#1延遲5 ms。兩者的設(shè)置信息如圖3和圖4所示。

圖3 rail#1設(shè)置信息

圖4 rail#2設(shè)置信息

軟件配置時工作參數(shù)有很多,關(guān)鍵的參數(shù)有電壓幅度、時序關(guān)系、過壓欠壓保護、溫度保護等參數(shù),注意設(shè)置達到極限值時的反應(yīng),以免出現(xiàn)不必要的關(guān)斷等問題。將設(shè)置好的配置通過USB適配器下載到芯片中試運行,最后固化到片內(nèi)Flash中即可。

圖5 UCD7242輸出電壓仿真圖示

4 供電仿真和環(huán)境適應(yīng)性分析

圖5為UCD7242輸出電壓的仿真結(jié)果,可以看到兩條電源軌跡,一條為CVDD(rail#1),一條為1.0 V(rail#2)。在時序上,CVDD在1.0 V之前上電,提前5 ms。此DSP核心供電加之其余電源的上電控制,整個系統(tǒng)在常溫環(huán)境即可正常工作。

TMS320C6678的高性能使得其本身功耗偏大,而芯片電流消耗隨工作環(huán)境溫度升高變大,在密閉的使用環(huán)境下有甚至出現(xiàn)功耗翻倍的情況。經(jīng)實際溫度試驗測試,產(chǎn)品在溫箱溫度到達65 ℃～75 ℃條件時,保溫持續(xù)工作0.5 左右,出現(xiàn)芯片電流消耗超過UCD7242供給能力10 A的情況。由此可見若將芯片置于無散熱條件或散熱條件不好的彈載機艙內(nèi)來應(yīng)用會面臨嚴峻的問題。而在常溫環(huán)境下(23 ℃左右時),其功耗僅為高溫環(huán)境下的1/2甚至1/3。實測情況如下:正常情況下,CVDD電流消耗曲線如圖6所示,在UCD7242供給能力范圍之內(nèi),電流最高5 A左右。高溫情況下,CVDD電流消耗曲線如圖7所示,已經(jīng)超出UCD7242供電能力,電流超過了10 A,發(fā)生了掉電現(xiàn)象。

圖6 正常情況下,CVDD電流消耗

圖7 高溫情況下,CVDD電流消耗

5 供電設(shè)計環(huán)境適應(yīng)性改進

從上述環(huán)境適應(yīng)性分析和實測可以看出,在特殊應(yīng)用環(huán)境下,供電電路的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計改進勢在必行。若想保證DSP正常工作,需從兩個方面做考慮。一是改進芯片散熱,經(jīng)實測在外加優(yōu)良散熱方式的情況下(比方風扇散熱等),芯片的運行穩(wěn)定,功耗曲線趨平,對電源的供電能力等要求較低。二是提高產(chǎn)品供電能力,這用在無法解決散熱而導(dǎo)致的電流需求變大的情況時,這里提出一種創(chuàng)新的供電解決方案,采用兩片UCD7242共用PWM管理芯片的方式來提高電流輸出能力,此方法可以將原本UCD7242的10A供電能力提升至20 A,以解決由于溫升帶來的供電能力欠缺問題,電壓的動態(tài)調(diào)整依然通過VID接口進行處理。具體可以按照如圖8所示的方案進行設(shè)計。經(jīng)實測,此方案雖然芯片功耗有所增加,但是可以達到系統(tǒng)穩(wěn)定運行的目的。

圖8 DSP核心供電20A解決方案

6 結(jié)束語

TI新型多核DSP的出現(xiàn)給我們提供了更為強大

的處理能力,但其缺陷也隨著多核DSP的深入開發(fā)日漸顯現(xiàn),例如其環(huán)境適應(yīng)性問題對于特殊的應(yīng)用場景日漸尖銳。本文對多核DSP供電設(shè)計進行了介紹并對其環(huán)境適應(yīng)性進行了分析,文中創(chuàng)新提出的供電方案供電效率高、驅(qū)動能力強、所用芯片集成度很高、電路相對簡單,對于小型化設(shè)計有現(xiàn)實意義,而且可以滿足一些特殊的對環(huán)境適應(yīng)性要求高的應(yīng)用場景,但在應(yīng)用時仍需仔細評估熱問題給系統(tǒng)帶來的影響,設(shè)計時要留有足夠余量,以保證所設(shè)計系統(tǒng)在各種使用環(huán)境下正常工作。

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Power Supply Design and Environmental Worthiness Analysis for Multicore DSP

CHENChuan*,YANKun,LIUXiaojian,ZHANGKun

(Xi’an Aeronautics Computing Technique Research Institute,AVIC,Xi’an 710065,China)

In order to solve the power supply problem of multi core DSP in the special application environment,an effective solution of power supply design is introduced for multicore DSP TMS320C6678. TI simulation software Fusion Design is used to analyze the environmental worthiness of this solution. Furthermore,we propose an innovative solution for multicore DSP when the power is increased quickly. The simulation analysis and experimental results show that this solution can meet the use of requirements and has a high practical value.

power supply;multicore DSP;TMS320C6678;environmental worthiness

2016-04-25 修改日期:2016-05-13

TN710

A

1005-9490(2017)03-0577-04

C:1210

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.012