方波　趙靜　王進華

摘要：針對TMS320C6678供電系統(tǒng)發(fā)熱量大，很難長時間穩(wěn)定工作的問題，從工程應用的角度出發(fā)，設計一種實用的TMS320C6678電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)在效率和功率方面實現(xiàn)優(yōu)化，充分考慮功率消耗和熱量散發(fā)，在常溫下能夠長期穩(wěn)定的工作，在電源輸出和消耗之間取得高效費比平衡。上述優(yōu)點通過硬件平臺的測試得以驗證。

關鍵詞：TMS320C6678;功耗;散熱;穩(wěn)定工作

中圖分類號：TN79 文獻標識碼：B 文章編號：1006-8228（2020）08-57-03

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的設計越來越復雜，在單CPU系統(tǒng)不能滿足需求的情況下出現(xiàn)了越來越多的多CPU系統(tǒng)。多核CPU的出現(xiàn)，極大地簡化了多CPU系統(tǒng)的設計，降低了成本和功耗，因此多核CPU在電子設計領域得到了廣泛的應用。TI公司的TMS320C6678是近年來應用非常廣泛的高性能8核CPU，其在提供強大性能的同時，也因其供電系統(tǒng)復雜，電源種類多、功耗大給設計帶來了挑戰(zhàn)。基于TMS320C6678的嵌入式系統(tǒng)在體積受到限制情況下，熱量難以散發(fā)，很難長時間穩(wěn)定地工作，在封閉系統(tǒng)中尤其存在散熱難題。此時，系統(tǒng)設計的難點是電源功率的匹配和散熱問題。電源系統(tǒng)在工作時，會受到多種因素的影響，輸出的電壓會隨著外部影響而發(fā)生波動。如果輸出電壓的波動范圍超過了系統(tǒng)所能承受的極限，系統(tǒng)會工作不正常，甚至發(fā)生故障。所以，在設計供電系統(tǒng)時，不但要考慮電源設計的電壓是否滿足要求，同時也要考慮功耗匹配和散熱問題。

1 電源系統(tǒng)的硬件設計

CPU和DC/DC是嵌入式系統(tǒng)的兩大熱源。在設計電源系統(tǒng)時，既要考慮到實際的消耗功率，又要考慮到DC/DC的轉(zhuǎn)換效率。當輸出功率很大而消耗功率很小時，散熱問題通常不嚴重，而消耗功率與輸出功率占比達到70%以上時，電源系統(tǒng)的發(fā)熱就會非常嚴重。因此，良好的電源系統(tǒng)是既要有足夠的余量來控制發(fā)熱，又要結(jié)合成本考慮不至于太浪費，要在散熱和成本之間找到合理的平衡點。

1.1 供電需求

TMS320C6678芯片的供電需求非常復雜，相對于早期DSP（Digital Signal Processor）的3.3V IO電壓和1.2V Core電壓，TMS320C6678的供電種類多、電流大，對電壓的穩(wěn)定性需求高，給電源系統(tǒng)設計帶來了很大的挑戰(zhàn)。將TMS320C6678的電源需求進行歸納，其種類和功耗見表1[7]。

從表1可以看出，lV電壓的電流需求較大，總的理論功率達到了l3W，這是8核所有功能模塊都工作時的最大理論功耗。通常，內(nèi)核在工作時，會受限于總線的服務能力，所有模塊不可能同時滿負荷工作。例如，內(nèi)核工作在1.4GHz時，每個內(nèi)核的實際功率約320mW，8個內(nèi)核的總實際消耗功率約為320mW×8=2560mW[4]。此時，Activity Power的功率消耗約為3.34W，Baseline Power的功率消耗約為l4.66W，總的功率消耗為3.34W+14.66W=18W[2]。

1.2 時序控制的實現(xiàn)

TMS320C6678的供電種類多，上電順序有嚴格的要求，不按推薦的順序上電，可能會導致芯片工作不正常，常見的故障現(xiàn)象為無法連接仿真器。TMS320C6678推薦了兩種上電順序[3]：一種為核電壓起始的上電順序，CVDD>CVDDl.VDDTl-2>DVDDl8， AVDDl，AVDD2>DVDDl5，VDDRl-4>VREFSSTL;一種為10電壓起始的上電順序，DVDDl8， AVDDl， AVDD2> CVDD > CVDDl，VDDT1-2>DVDDl5，VDDRl-4>VREFSSTL。兩種上電順序沒有優(yōu)劣之分，本設計選用核電壓起始的上電順序，上電時間間隔設計為lOms，具體的上電順序設計見圖1。

TMS320C6678的上電設計是在FPGA配置完成以后，這樣設計的好處有二：一是可用FPGA控制DSP的上電順序[6]，無需增加額外的控制電路;二是DSP的配置管腳可由FPGA來控制，F(xiàn)PGA先處于就緒狀態(tài)能確保DSP配置正確。由于電源空載時電壓能很快從OV爬升到設計值，而帶負載時電壓爬升的時間將延長，為確保設計電壓能有序達到設計值，避免前一個電壓還處于上升過程中，后一個電壓先達到設計值，所以各電壓上電的時間間隔設置為lOms。

1.3 芯片的選型與實現(xiàn)

系統(tǒng)一次電源為DC28V，采用PowerGood公司的DC/DC轉(zhuǎn)換器ESCN036120將DC28V轉(zhuǎn)換為DCl2V。ESCN036120能在89%的效率下實現(xiàn)50W的功率輸出。在整機功率接近30W時，一次電源的功耗占比為60%，滿足降額設計的要求。根據(jù)表l的需求，TMS320C6678整體的供電配置設計如圖2[1]所示。TI推薦的電源設計多處用到了TPS73701等線性電源LDO.LDO在工作當中會散發(fā)大量的熱量，長時間工作熱量容易聚集而導致溫度過高，進而發(fā)生輸出電壓跌落。因此，實用級設計中要盡量避免使用LDO。

1.3.1 CVDD的可變核電壓和CVDD1設計

常見的CVDD實現(xiàn)方案有兩種：一種是模擬實現(xiàn)方案LMlOOll+TPS56121; -種是數(shù)字實現(xiàn)方案UCD9222+UCD7242。綜合布局和設計復雜度考慮，選模擬實現(xiàn)方案布局布線更加簡潔。其工作原理為：LMlOOll接收TMS320C6678 VCNTL[0：3]接口發(fā)送的VID碼，然后通過IDAC_OUT引腳調(diào)整TPS56121的FB反饋端電壓，進而調(diào)節(jié)TPS56121的SW輸出端，以達到調(diào)節(jié)CVDD供電電壓的目的。TPS56121是一款輸入電源電壓在4.5V與14V之間的高效率大電流同步降壓轉(zhuǎn)換器，輸出電流高達l5A，典型的轉(zhuǎn)換效率為90%，參考電壓的精度為1%，可滿足CVDD要求，其具體設計電路如圖3所示。

TPS56121輸出電壓的計算公式為Vout（SW）=V FE（1+R1/R2），輸出電壓可通過Rl和R2調(diào)節(jié)。當匹配電阻設定以后，還可通過改變FB端的電壓，來調(diào)節(jié)SW輸出電壓。由于CVDD電壓是在1V上下變化，所以初始狀態(tài)按照輸出電壓為1V設計。VFB端的初始電壓為0.6V，匹配Rl=20k，R2=30k高精度電阻實現(xiàn)TPS56121的lV輸出。LM10011根據(jù)TMS320C6678 VCNTL[0：3]接口發(fā)送的VID碼來調(diào)節(jié)IDAC_OUT端的電壓，以此來調(diào)節(jié)V OUT（SW）的輸出電壓，實現(xiàn)電壓可變。

為了簡化設計和減少芯片的使用種類，CVDDl的固定1V電源也由TPS56121實現(xiàn)。

1.3.2 DVDD18和DVDD15設計

固定l.8V電源采用高精度開關電源TPS54622設計實現(xiàn)。TPS54622采用N溝道MOSFETs輸出，具有4.5V到l7V寬輸入電壓范圍，最低0.6V的電壓輸出，可穩(wěn)定實現(xiàn)l.8V 6A輸出，開關頻率范圍在200KHz-1600KHz可調(diào)。0.6V的VRE，電壓參考精度為1%，在0.594V-0.606V之間。輸出電壓可按Vo （PH）=VREF（1+R1/R2）計算，通過調(diào)整匹配電阻Rl和R2的阻值實現(xiàn)1.8V輸出。輸入電壓為12V時，輸出l.8V根據(jù)公式1.8V=0.6V（1+R1/R2）可得到Rl和R2的阻值，選擇1%高精度的匹配電阻實現(xiàn)高精度1.8V電壓輸出。

為簡化設計和減少芯片的使用種類，DVDDl5的固定1.5V電源也由TPS54622實現(xiàn)。VREFSSTL的電流需求很小，因此其0.75V電源由l.5V通過高精度分壓電阻實現(xiàn)[1]。

2 電源系統(tǒng)的工程設計

一次電源ESCN036120發(fā)熱量較大，應和電源濾波器一起放置在金屬機箱側(cè)壁，串聯(lián)放置并且盡量接近以縮短DC/DC與濾波器的連線長度，12V輸出通過0. 2mm2導線引入PCB，導線不能繞圈且盡量以直線傳輸。ESCN036120進線應靠近VIN并且進線盡量短，防止電磁輻射干擾。

PCB印制板方面，TMS320C6678引腳多達841個，綜合布線和散熱考慮，PCB設計為12層，即為TOPLayer -L2 GND-L3信號層-L4 POWER-L5信號層-L6 GND-L7 GND-L8信號層-L9 POWER-L10信號層-L11 GND- BOTTOM Layer[5]。電源層需要傳輸大電流，采用l05um銅層厚度，地層需要傳遞熱量同樣采l05um銅層厚度。PCB定位孔采用金屬化孔并盡量增加孔壁的厚度，并將GND引入定位孔，定位柱采用實心銅柱。在整機無其他制冷方式時，應盡量增加外機箱的散熱面積，室內(nèi)溫度應控制在25℃以下。在封閉環(huán)境使用時，還應該增加導熱膠和導熱板設計。

焊接方面，由于TPS56121和TPS54622發(fā)熱量大，TI公司為芯片設計了金屬散熱片。在設計PCB時，TPS56121和TPS54622都應在PCB焊接面設計散熱銅片，銅片的大小應超過芯片面積并且solder開窗，開窗的面積不應超過芯片的面積，芯片的Thermal Pad應和散熱銅片進行良好的焊接。為防止焊接時焊錫進入過孔灌入印制板BOTTOM Layer，在焊接位置不應打孔，接地孔應打在芯片的兩側(cè)并且為通孔，在滿足布線要求的情況下應增加孔徑和孔的數(shù)量。

芯片布局方面，TPS56121（1V可變），TPS56121（1V），TPS54622（1.8V）.TPS54622（1.5V）不能放置在相鄰位置，以免熱量過快聚集。理想的布局是4個轉(zhuǎn)換器分別靠近4個PCB定位孔，以便能將熱量快速的通過實心金屬定位柱導出。

3 結(jié)論

本文從工程實踐的角度出發(fā)，綜合多年的工程實踐經(jīng)驗，設計了TMS320C6678可長時間穩(wěn)定工作的供電系統(tǒng)。在充分考慮功率消耗的前提下，設計了與之匹配的并具有良好散熱性能的實現(xiàn)方案。經(jīng)過硬件平臺驗證，在22℃室溫下單機溫度穩(wěn)定在42℃，低于商業(yè)級芯片70℃的極限工作溫度，工作穩(wěn)定可靠，無異常情況發(fā)生，為系統(tǒng)級軟件開發(fā)提供了穩(wěn)定的硬件平臺。該供電系統(tǒng)可廣泛應用于TMS320C6678各種嵌入式系統(tǒng)，并且可擴展為多CPU供電系統(tǒng)。

參考文獻（References）：

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[3]Texas Instruments Corp. Multicore Fixed and Floating-Point Digital Signal Processor[EB/OL].http：//www.ti.com/lit/gpn/TMS320C6678， 2020-4- 20.

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[5]Texas Instruments Corp. TITMS320C6678 EVMBoardSchematic [EB/OL].ht[p：//，www.ti com. cn/cn/lit/pdf/tidrft2，2020-4-20.

[6]施慶展，馮起，羅慧，袁乃昌.基于FPGA的TMS320C6678 DSP的電源和時鐘設計[J]電子設計工程，2015.5：113 -117

[7]劉文政.多核DSP TMS320C6678的電源設計[J].艦船電子對抗，2015.5：151-153.

作者簡介：方波（1978-），男，四川簡陽人，碩士，高級工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設計。