TMS320C6678 DSP的電源設計

吳敏杰，馮 起，袁乃昌

（1.南京航空航天大學 電子信息工程學院，江蘇 南京 210016；2.國防科學技術大學 電子科學與工程學院，湖南 長沙 410073）

TMS320C6678 DSP是TI最新發布的一款基于KeyStone架構的DSP[2]，芯片內有8個內核，工作速度可達10 GHz。隨著這款產品各方面的性能指標增加，對電源供應也提出了很高的要求，普通的穩壓電源早已不能滿足。由于現在的信號處理板上大多需要多片DSP協同工作，所以在本設計中，以兩片6678DSP電源方案為例，將UCD9244作為電源的主要控制芯片，設計出的電源可同時滿足這兩片DSP的供電需求。

1 電源硬件電路設計與計算

1.1 系統總體方案設計

圖1是系統的組成框圖。采用統一的12 V電源進行供電，DSP的內核電壓由一片UCD9244和兩片UCD7242組成；經過TPS54620產生的3.3 V電源可以為其他的電源電路供電；大部分的模塊電源需要經過濾波網絡的處理，這樣做可以降低電源的紋波、噪聲，同時也可以很好地解決PCB布板帶來的其他干擾問題。

雖然DSP不要求內核電壓與IO之間有特殊的上電時序，但假如有某個模塊的電源處于錯誤狀態時，得保證整個系統的所有電源都不在工作，否則，會嚴重影響器件的使用壽命與可靠性。所以，在本設計中，上電時序為CVDD，VCC1V0，VCC1V8，VCC1V5，VCC0V75；其中 CVDD 與 VCC1V0的上電時序通過對UCD9244芯片進行編程實現，其他模塊的上電時序通過TPS3808系列芯片，前一級對后一級產生控制信號實現。掉電時序和上電時序完全相反，這樣可以防止大量的靜態電流和器件過壓情況發生。

任何DC/DC變換器在開始設計時，工作頻率的選擇都是很關鍵的[6]。它主要取決于3個因素：最大效率，最小尺寸和閉環帶寬。工作頻率高，通常效率就低，設計尺寸小。綜合考慮，在本設計中，選擇750 kHz。

在設計的最后，為關鍵的電源供電部分添加了信號指示燈，若上電正常則可以使LED亮，它在電路中的作用主要是為了方便調試，同時，在電路上電不正常的時候可以馬上發現哪個模塊出錯，從而可以很快地找到原因。

1.2 UCD9244控制電路

UCD9244[5]芯片是數字PWM控制器，能同時控制4路輸出，開關頻率達到2 MHz，采用PMBus v1.2標準。PMBus是電源管理總線，是從SMBus發展過來的，在數字通信總線上與電源轉換器進行交流。圖2是UCD9244的控制電路圖，輸出電壓的調節主要有兩種方式，一種是通過VID接口，這種方式需要有DSP或者專用集成電路的控制，但本設計中本來就是作為DSP的電源，所以采用另一種調節方式——通過PMBus命令語句，對輸出電壓幅值進行控制，這種方式也更為簡單有效。為保證UCD9244整體工作，在工作電壓輸入端增加了旁路電容來減少電壓紋波，同時也對高溫、過流等異常情況增加了保護措施。

圖1 系統組成框圖Fig.1 Frame of system composing

圖2 UCD9244控制電路Fig.2 UCD9244 control circuit

UCD7242是與UCD9244完全兼容的驅動芯片，可以驅動兩個獨立的電源，可以供應CVDD（內核電壓）與VCC1V0（SRIO、PCIE、SGMII和 HyperLink）。 通過 1片 9244控制兩片7242來達到為兩片DSP6678供電的目的。UCD7242電路中電感值的選擇很關鍵，根據芯片內部結構，電感值的計算可以通過下面這個公式決定：

式中：VIN為輸入電壓，VOUT為輸出電壓，fs為工作頻率，D為占空比，ΔI為電感電流峰峰值。在本設計中，VIN=12 V，VOUT=1 V，D=1/12，fs=750 kHz，ΔI=10 A， 可計算得電感 L≈0.122 μH。

1.3 3.3 V輔助電源電路

在整體的系統中，有些芯片是需要3.3 V的工作電壓的，比如TPS73701，為DSP IO供電；TPS51200作為DDR3的參考電壓。圖3為采用TPS54620[4]芯片作為電壓轉換芯片的電路，TPS54620的耐熱性能增強，功能齊全，支持高效率，集成了高側/低側MOSFETs，并且輸出電壓可以調節。在本設計中，用TPS54620產生了3.3 V和1.5 V的電壓。如圖3所示，輸出電壓為：

式中：R10、R11為分壓電阻，Vref為參考電壓，經實驗設定R10=31.6 kΩ；R11=10 kΩ；Vref=0.8 V，可以得出輸出電壓 VO=3.3 V。

圖3 3.3V輔助電源電路Fig.3 3.3V auxiliary power supply circuit

1.4 時序控制電路

該時序控制電路主要是用來控制6678DSP的IO、DDR3參考電壓以及HyperLink、PCIE等上電時序的。以DVDD18先于DDR3_IO上電為例，電路原理圖如圖4所示，所用的芯片為TPS3808G18，只有 DVDD18=1.8 V時，RESET才會輸出一個高電平，從而可以驅動下一級電路，這樣就保證了時序要求，值得注意的是，延遲時間是可以控制的，通過控制CT引腳與地之間的電容值就可以實現，參考公式為：CT（nF）=[tD（s）-0.5×10-3（s）]×175 （3）式中tD為設置的延遲時間。

圖4 時序控制Fig.4 Timing control

1.5 濾波網絡

在過去的DSP中，EMI濾波器（T型濾波器）用在那些易受噪聲影響的電源軌中，這些濾波器通常都是低通濾波器，這樣可以限制在每個相應電源供應的寄生耦合噪聲而不至于把直流分量濾除[1]。其實，在設計PCB板的時候，很多與DSP相關的問題都是由于不注意EMI濾波器導致的。文中設計的濾波網絡主要是由旁路電容串聯磁珠，然后加上去耦電容組成的，這樣的設計在實際使用中效果很好。

2 軟件控制

TI公司針對UCD92xx系列芯片專門開發了Fusion Digital Power Designer軟件，因為UCD92xx系列電源控制器內部有專門的集成電路，同時還有Flash存儲器和一個串口，這樣通過該軟件就能方便地對UCD92xx芯片進行配置、監視和管理[3]，可以實現很多的功能，從而在很多方面能夠應用。因為UCD92xx系列芯片采用PMBus v1.2標準，所以對這類芯片的操作必須使用PMBus命令語句，這款軟件的方便性就體現在為用戶在電腦上提供了很直觀的操作界面，而不用去管底層的PMBus命令語句，在操作界面中設置好了以后通過TI USB適配器下載到芯片中，從而實現相應的功能。同時，該軟件的另一個特色是幫助用戶創建電路原理圖，這樣在很大程度上可以減少開發設計的工作量，系統的可靠性也得到了保證。

在本設計中，設計的電源為每一片DSP內核提供的電壓為1 V，時序延遲0.3 ms。如圖6為rail 1設置的參數界面，其中，電源軌（power rail）1和 2是為第 1片 DSP服務的，電壓幅值均為1 V，rail 2比 rail 1延遲0.4 ms。剩下的 rail 3和rail 4是為第2片DSP服務的，其參數設置于第一片DSP完全相同，所以圖中只顯示了兩個rail，另外兩個與之重合。值得一提的是，UCD9244芯片的時序設置還可通過電壓跟蹤來實現，即后上電的電源軌可以跟蹤先上電的電源軌，這樣就自然滿足了時序的設置。在這里采用前一種方法的原因主要是在后續調試的時候可以通過示波器方便地觀察出波形的延遲是否和筆者的設計吻合。

另外設計中的電壓裕度也是符合要求的，因為DSP 6678本身允許內核電壓有5%的波動。

圖5 Fusion Digital Power Designer參數設置界面Fig.5 Fusion Digital Power Designer parameters design interface

軟件設計的整體步驟是先決定采用的芯片型號，然后確定電源軌的數量，根據特定的用電設備分配相位（功率級），單相或者多相，接著是設置電源的工作參數，工作參數有很多，關鍵的有電壓幅值，時序，還有一些過壓及高溫保護的參數，然后是利用軟件幫助設計電路原理圖，接著看你設計的仿真結果，要結合時域與頻域的情況，如果不滿意再修改，滿意之后保存為工程文件，最后通過TI USB適配器下載到芯片中即可。

3 電源功能仿真結果

圖6是電源芯片UCD9244的仿真結果，可以看出4個電源軌的輸出值均為1 V，滿足DSP的CVDD和VCC1V0的設計指標，時序上對于同一片DSP，CVDD在VCC1V0之前上電，提前的時間為0.4 ms，掉電過程中，CVDD在VCC1V0之后掉電，延遲時間為0.4 ms。對于其余的供電電源其電壓幅值與上電時序在仿真的過程中也都符合要求。

圖6 UCD9244芯片電路仿真結果Fig.6 UCD9244 chip circuit simulation results

4 結 論

UCD9244芯片集成度很高，用它作為電源的控制芯片，效率高，電路簡單，還能對小型化設計進行優化。Fusion Digital Power Designer軟件使用方便，直觀效果好。經過一系列的仿真表明該電源系統工作穩定，可靠性高，各方面參數均達到預期要求，可以很好地為TMS320C6678 DSP供電。

[1]Texas Instruments Corp.Hardware Design Guide for KeyStone Devices[EB/OL].（2010）.[2012-02-20].http://www.ti.com/product/tms320c6678.

[2]Texas Instruments Corp.TMS320C6678 Multicore Fixed and Floating-Point Digital Signal Processor Data Manual[EB/OL].（2010）[2012-02-15].http://www.ti.com/product/.

[3]Texas Instruments Corp.Using the UCD92xx Digital Point-of-Load Controller Design Guide[EB/OL].（2011）.[2012-02-22].http://www.ti.com/analog/docs/litabsmultiplefilelist.tsp?literature Number=sluu490&docCategoryId=6&familyId=688.

[4]Texas Instruments Corp.TPS54620 Data Sheet[EB/OL].（2011）[2012-02-22].http://www.ti.com/product/tps54620.

[5]Texas Instruments Corp.UCD9244 Data Sheet[EB/OL].（2011）[2012-2-20].http://www.ti.com/product/ucd9244.

[6]葉惠貞，楊興洲.新穎開關穩壓電源[M].北京：國防工業出版社，1999.