高功耗嵌入式單板計算機的電源設計與實現

劉寶明，蘇培培

（中國船舶重工集團公司江蘇自動研究所，江蘇 連云港222006）

0 引 言

當前集成多個處理核心和高速接口的SOC型的處理器為復雜嵌入式計算機系統的設計帶來了方便性和靈活性。例如，Free scale公司推出的MPC8641D處理器內部集成兩個e600核心、兩個DDR2控制其和兩個高速SerDes接口，適合高密度的信號處理應用。由于處理器集成度高、接口豐富，正常工作所需的電壓種類多、電流消耗大。因此，在進行基于雙核MPC8641D處理器的嵌入式單板計算機開發過程中，設計穩定可靠的電源供電是其中一個關鍵部分。通過分析MPC8641D處理器的供電要求和外圍功能電路的特點，選用高性能的DC－DC和多種LDO電源芯片，實現單板計算機的電源供電設計，重點采用高性能三相開關電源芯片實現了處理器內核的電源設計；并通過可編程邏輯CLPD實現了嵌入式單板計算機的上電時序控制和復位管理，解決基于高性能SOC處理器高功耗的單板計算機電源供電與管理問題。

1 處理器上電分析

MPC8641D處理器內部集成兩個e600內核和高速SerDes接口以獲取高的處理性能和數據傳輸，工作主頻最高為1.5GHz，每個內核配備一個矢量處理引擎AltiVec，可帶來的額外性能提升。由于該處理器屬于SOC，工作所需的電源較多，例如本地總線接口需要有3.3V電源輸入，網絡接口部分需要2.5V的電源輸入，DDR2內存控制器部分需要1.8V電源，其處理器內核則需要1.0V電源。按照芯片數據手冊中的要求，處理器在上電時必須保證除DDR2功能電路以外的電路先供電，DDR2控制器相關單元后上電，并且所有電源必須在20ms之內上電完成，并進行使能時鐘輸出和結束復位，數據手冊中推薦的上電順序圖見圖1。

圖1 MPC8641D處理器的上電時序

2 電源設計方案

基于MPC8641D處理器的嵌入式單板計算機主要應用于信號處理與數據計算領域，按照功能單元劃分單板計算機主要包括處理器最小單元、存儲器單元、FPGA協處理器單元、高速接口單元，以及時鐘、復位等功能電路。計算機模塊正常工作需要包括5V、3.5V、2.5V、1.8V、1.2V、1.0V等多種電壓的電源，整版功耗預計在35W左右。通常嵌入式單板計算機工作在一個密閉的、帶底板機箱環境中，由底板提供的12V和5V作為電源輸入，計算機模塊正常工作所需的電壓源均通過12V和5V的電源轉換而來。為了實現多種不同電壓源時序控制，嵌入式單板計算機上需要有一個Standby電源，主要功能是為上電控制器提供電源，確保上電控制器先于其它功能電路加電工作，由上電控制器控制各種電源的輸入隔離和轉換，并按照內部的邏輯指令完成計算機模塊的電源上電順序控制、復位時鐘使能等管理功能。整個嵌入式單板計算機的總體供電原理見圖2。

圖2 供電實現原理框架

3 電源轉換設計與實現

3.1 電源芯片選型

嵌入式單板計算機中的供電方式主要有兩種，一種是開關電源，另一種是線性電源。開關電源就是利用MOSFET管的輪流導通和關斷實現供電，而線性電源則是通過工作在線性狀態的MOSFET管直接輸出供電。開關電源的主要工作原理就是上橋和下橋的MOSFET輪流導通，首先電流通過上管流入，利用線圈的存儲功能，將電能集聚在電感線圈中，最后關閉上管，打開下管，線圈和電容持續給外部供電，然后又關閉下管，再打開上橋讓電流進入，就這樣以幾十KHz或幾百KHz的頻率重復進行，輪流開關MOSFET管。由于開關電源能夠高效率的轉換電能，不會產生太多熱消耗，而線性電源正常工作時MOSFET管處于線性狀態，由于沒有開關的介入，即用不完的電能全部轉換成了熱能，因此線性電源的轉換效率就非常低，而且熱量高、元件的壽命下降快。因此在進行電源設計時，根據不同負載對電流的需求以及自身特點，選用合適的電源轉換芯片進行電源設計是必要的。

在嵌入式單板計算機中，3.3VTTL或CMOS電平是的主要邏輯電平，同時3.3V還作為其它低電壓電源轉換器件的電壓輸入源，通過初步的估算和分析，整個模塊對該3.3V電源的電流需求約為5～6A；MPC8641D處理器的核心1.0V電壓典型情況下需要的電流為25A。對于需要大電流的負載采用開關電源進行設計，尤其是處理器的核心電源采用多相供電電源以保障其穩定性和可靠性。通過分析比較，采用TI公司的PTH08T240設計3.3V、2.5V的負載電源，采用LINEAD公司的高性能三相開關電源轉換芯片LTC3731設計處理器的內核電源。而對于電流需求低于3A的1.8V 的 Flash、1.2V、0.9V 的端接電壓，可采用LDO器件進行設計。當前芯片技術工藝的不斷改進，LDO器件在體積不斷減小，輸出能力不斷提供，例如提供3A的電流器件已經非常成熟，如TI公司的LDO芯片TPS74401。

3.2 Standby電源與隔離設計

Standby電源主要功能是提供上電控制器的電源，隔離其它電源輸入，保證上電控制器先于其它電路工作。當系統工作加電時時，外部的直流12V和5V電源進入到單板計算機，首先經過一個電源轉換形成3.3V的Standby電源，使上電控制器先工作起來，而12V和5V電源則需要經過一個 “Hot Swap”隔離芯片，其使能由上電控制器進行控制。Standby電源實現原理見圖3，隔離芯片選用MICREL公司的MIC2583，該芯片是一個單通道正向電壓熱插拔控制芯片，8腳SOIC封裝，需要很少的外部器件和一個N溝道MOSFET實現電壓隔離控制，廣泛應用在嵌入式計算機板到帶電底板的熱插拔環境，并且帶有使能控制功能，可方便實現輸入輸出的隔離與控制。

圖3 Standby電源設計

3.3 3.3V/2.5V電源設計

基于MPC8641D處理器的嵌入式單板計算機中邏輯電平為3.3V，網絡接口器件的工作電平為2.5V，協處理器FPGA的部分I/O也為2.5V電平。因此3.3V/2.5V主要為普通數字電路供電，對電源的紋波要求和動態響應不是非常苛刻，而整版對3.3V和2.5V的電壓電源的電流需求分別為5－6A、3～4A，TI公司的開關電源DC/DC模塊PHT08T240在一塊小PCB上集成了控制芯片、MOSFET管等器件，最大輸出電流可達10A，具有較寬電源輸入和高效性，體積只有24mm×16mm，通過外部的幾個電阻和電容就能實現穩定電源輸出。為了控制電源模塊的使能與禁止，將模塊電源的使能 （Inhibit）引腳連接一個開關電路，并將控制信號連接至上電控制器，由上電控制器實現關斷與使能，3.3V和2.5V輸出電壓可通過設置不同的調壓電阻實現，電阻選擇的公式為，當輸出為3.3V 是 Rset＝1.21k，當輸出為2.5V時Rset＝2.37k，詳細的電路設計原理見圖4。

圖4 3.3V/2.5V電源設計

3.4 處理器的內核電源設計

處理器是整個計算機系統的核心部分，也是最敏感的部件之一，而處理器的內核電源是單板計算機的供電部分重中之重，必須保持穩定、干凈。MPC8641D處理器的核心電壓為1.0V，需要的電流高達25A，對于一般的開關電源難以滿足要求，同時處理器核心電壓對紋波和高頻噪聲都有嚴格的要求，例如允許的電壓波動范圍為0.95V～1.05V。LINEAD公司的控制芯片LTC3731一款三相電源輸出的、同步降壓型的開關控制器，每項的開關頻率從250 KHz～600KHz可調，具有良好的過載和輕載時的動態響應特性，其三相供電方式能夠提供相對穩定的電壓，保證CPU負荷突然變化時，產生較小的電壓波動。

基于LTC3731開關電源芯片開展電路設計時，為了有效的抑制尖峰的毛刺、高頻的雜波，提供干凈的電源環境，需要通過一定的計算，合理選擇外部器件如MOSFET管、電感和電容。首先根據負載對電流和電壓需要設置開關芯片的工作頻率，LTC3731開關芯片的最高工作頻率為600KHz，通常可以設置在500～600KHz之間，因為隨著開關頻率增加，MOSFET管的門電路充電損耗也將增加，從而降低電路的工作效率。電感的選擇直接影響到輸出電流的紋波，并且紋波電流的大小△I隨著電感值L、工作頻率f的增大而減小，而隨輸入電壓Vin和輸出電壓Vout的增大而增大，其數學關系式為處理器內核電壓為1.0V，其電流需求約為25A，為確保在開關電流峰值時不飽和 （開關峰值電流要大于輸出電流3～4倍），所選的電感耐電流峰值應該在60A以上，并且選擇鐵氧體的磁芯和直流電阻盡量小的電感，以減少開關過程中渦流損耗；由于多相開關電源芯片的每相電流輸出之間能夠對紋波進行消減，因此三相電源相對于單相電源輸出具有很好抑制紋波。在確定了工作頻率和電感之后，需要選擇電流檢測電阻Rs，該電阻的兩端連接至芯片Sense±引腳，通過芯片內部的電流比較放大器調整輸出電流的紋波，通常Rs采用低阻值、大功率的電阻，如0.002歐姆的功率電阻。對于外置N－MOSFET管則盡量選用導通等效電阻較小的器件，一般是10個毫歐姆以下的，耐壓值要滿足12V電源輸入，而與下MOSFET管組成續流回路的二極管必須采用快速的肖特基二極管，并且要滿足大于峰值電流為要求。電容應選擇等效串聯電阻小（LOW ESR）的電解電容、瓷片式鉭電容，這可降低輸出紋波電壓。處理器內核的電壓電源的設計電路原理框圖見圖5，其中通過一個二極管和電容設計了三相開關的自舉電路，保證芯片正常工作時外置的上邊MOSFET管的持續導通。

3.5 DDR2電源設計

MPC8641D處理器片上集成兩個DDR2內存控制器，支持JEDEC標準x8、x16、x32的DDR2和DDR2存儲器的擴展。基于MPC8641D處理器的嵌入式單板計算機設計了1GB的DDR2存儲器，每個控制器采用4片x16的內存顆粒構成64bit 512MB存取容量。DDR2采用的是1.8V供電和0.9V的端接電源，由于DDR2內存顆粒本身的功耗不高，對輸入電壓的有較高的要求。TPS744401是一款線性電源轉換芯片，能夠提供一種簡單可靠的供電，并且具有輸入使能控制和軟啟動定時控制功能，可以由上電控制器進行統一控制與管理；而0.9V端接電壓由TI公司的TPS51100轉換實現，DDR2內存的電源設計電路圖見圖6。

4 上電控制器設計

上電控制器通常可以采用小型的單片機或可編程邏輯器件實現。采用可編程邏輯器件 （如CPLD）相對于單片機的設計具有較強的靈活性，通過硬件描述語言進行編程設計。例如，采用一片ALTERA的EPM240CPLD設計電源控制器，該CPLD采用3.3V供電，因此Standby電源設計為3.3V，該CPLD具有240個宏單元能夠滿足中等規模的控制算法。

單板計算機上所有電源轉換芯片都受到上電控制器的控制，具體實現是通過將每個電源轉換模塊的使能控制信號和電源輸出狀態Power Good信號經過調理電路連接至CPLD的IO引腳，根據不同電源轉換芯片的轉換時間等參數，初步確定電源上電時序，但由于每個電源模塊的轉換時間從幾百個皮秒 （ps）到幾十個毫秒 （ms）不等，并且每個電源芯片手冊中的理論值與實際電路存在差異，因此將電源轉換器件的電源輸出狀態信號Power Good引入控制器作為可選的觸發控制變量，設計定時器進行精確的時間控制，并且通過多次的實際測試、對比，修改定時器的定時至，最終達到在20ms時間內完成上電的要求。基于CLPD的上電控制器程序設計流程圖見圖7。

圖5 核心電壓電源設計

圖6 DDR2控制器電源設計

圖7 上電控制器軟件流程

5 結束語

雙核MPC8641D處理器憑借其較強的處理性能和豐富接口在嵌入式計算機系統廣泛應用，為了滿足諸如此類基于高性能處理器的單板計算機電源設計，分析了處理器的上電時序和不同負載的功能，采用多種靈活的電源轉換芯片實現了多種電源設計，并通過可編程器件CPLD實現了整版的上電時序控制，所設計的計算機模塊能夠在較惡劣的環境中的穩定可靠工作。

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