高性能多核DSP的電源方案設計與調試

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），研究方向為網電空間測控。

引 言

隨著無線通信技術的發展，復雜調制方式與編碼格式的使用使得多核數字信號處理器（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系統設計的一個重點。

為了保證電路工作正常，電源系統必須做到：①穩定，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38.4GMAC 以及19.2GFLOPS的性能，片上交互網絡帶寬達到2Tbps。Keystone DSP包含一系列協處理器，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 接口向外部發出改變電壓的指令，電源必須能夠根據VID 指令來進行電壓調節。Keystone DSP目前只支持SmartReflect Class 0的動態電壓調整模式［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程序的負載量作一次調節。

對于大部分無線通信以及醫療儀器應用，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命令調節電壓；

③上電順序要求比較復雜，因此采用數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 生15 A CVDD 電 源，UCD74106 產 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。通過TI Fusion Digital Power Designer上位機軟件可以設置VID參數，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上電順序。根據負載芯片需求，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采用數字閉環控制產生PWM 波，具體結構如圖1 所示。CVDD 的電壓值經過濾波網絡后接入UCD9222，UCD9222自帶閉環控制器計算PWM 波的占空比；同時負載DSP向UCD9222發送VID指令調節內核電壓。閉環控制器的參數可以使用上位機程序進行設計。對于大多數應用場合，可以采取自動參數調整的方法進行參數整定，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，FS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，FS＝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 為等效串聯電阻，C 為電容容值，FS為開關頻率。

3 數字電源的調試

對于大多數電源模塊來說，調試相對比較簡單。而UCD9222包含動態電壓調整功能，因此參數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，FSW為開光管的頻率，VIN為開關管的輸入電壓。當VIN＝12V，P＝20ns，FSW＝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的控制已經包含電壓的閉環控制以及電流的監控，即使斷開FLT，也能夠提供一定的可靠性，但這對系統的穩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生的電動勢。［4］由電感電壓表達式U＝LdI／dt知，當電流發生變化時，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生波動電流，產生的地彈噪聲峰峰值有可能高達數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響應。然后，可以選擇低ESR 型的鉭電容進行去耦，減少由ESR產生的紋波。

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 動態數字電源測試結果

UCD9222提供電源監控功能，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，如圖5所示。對DSP加載壓力測試程序，測試結果表明，該數字電源能實現DSP動態電壓調節的功能以及電流負載的調整。

圖5 電源運行監視圖

結 語

本文給出了TI多核DSP的電源設計方法，使用數字電源的設計方法實現了動態電壓調節以及上電順序控制。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：電子工業出版社，2013.