ARM+FPGA架構的北斗導航接收機電源管理設計

盧蘭蘭,馬洪濤,王曉君

(河北科技大學信息科學與工程學院,石家莊050018)

ARM+FPGA架構的北斗導航接收機電源管理設計

盧蘭蘭,馬洪濤,王曉君

(河北科技大學信息科學與工程學院,石家莊050018)

電源在導航接收機中起著極其重要的作用。在研究導航接收機工作原理的基礎上,提出了一種基于ARM+FPGA架構的導航接收機的電源設計方案。該方案以ARM+FPGA的導航接收機的電源需求為基礎,結合ARM Cortex A8 AM3354和FPGA Virtex 6 365T的供電特點和供電需求,設計出適合此導航接收機系統的電源方案。實踐證明此方案是可行的,能夠達到該導航接收機的各項電壓指標,且測試結果在允許的誤差范圍之內。

電源設計;導航接收機;ARM;FPGA

引 言

繼北斗定位系統成[1]為世界公認第三個成熟定位導航系統之后,導航產業[2-3]迸發出更加強大的活力,并廣泛應用于建筑、軍工、海洋、太空等領域,深刻影響和改變著人類的生產與生活。

無論是在導航系統設計[4]還是其他電子產品的設計中,電源都起著至關重要的作用。ARM處理器、FPGA (現場可編程門陣列)器件較為昂貴,如果電源設計[5]不合理,會造成嚴重的后果。比如說,電源供電不足,直接造成輸出電流的不足,FPGA器件輸出就與正常情況下的輸出有所不同,會造成邏輯上的錯誤;更嚴重的將導致整個板子不能正常工作。本系統中的電源供電具有～低電壓、大電流的特點,由于ARM核電壓為1.1 V、FPGA核電壓為1 V、ARM I/O電壓為3.3 V、FPGA I/O電壓為2.5 V,電流可以達到安培級別;設計中還需要考慮頻率[6]對電源工作的影響等。基于這樣的供電特點和供電需求,設計出適合此導航接收機系統的電源方案[7]。

1 基于ARM+FPGA架構的導航接收機電源設計方案

1.1 系統電源方案

導航接收機的電源系統具有寬電壓輸入、低電壓輸出、電壓類型多樣化的特點。所謂的寬電壓輸入,是指輸入電壓變化范圍較大,為8～16 V。基于這樣的供電特點,首先將輸入電壓經LM2576電源轉換模塊,將電壓轉換為5 V,再經LTC3616IUDD和LT3976EUDD電源轉換芯片轉換成ARM和FPGA需要的電壓。對于FPGA這種對供電有著嚴格需求的器件來講,必須增加一些過壓保護措施。因為鋰電池輸入電壓范圍在8～16 V之間,且LM2576電源轉換模塊輸入電壓最高可達40 V,所以不需要再添加過壓保護電路。

圖1給出了整體電源系統框圖。可以看出,北斗導航接收機系統需要的電壓類型有1 V、1.1 V、3.3 V、2.5 V幾種電壓類型。其中FPGA核電壓值是1 V,ARM核電壓值是1.1 V,FPGA I/O電壓值是3.3 V,ARM I/O電壓值是2.5 V。輸出電壓類型多,且輸出電壓低,最低可以達到1 V。

圖1 電源系統框圖

1.2 電源轉換芯片選擇

FPGA是一種低電壓、大電流、大功率的芯片,為了適應它的供電要求,且達到電壓轉換效率高的要求,選用了DC-DC的開關電源[8]芯片LTC3616IUDD和LT3976EUDD。開關電源轉換芯片與傳統電源[9-11]相比,具有轉換效率高的特點。

鋰電池輸入電壓經LM2576電源轉換芯片將電壓轉換為5 V,解決了寬電壓輸入的需求。再經LTC3616IUDD電源轉換芯片將電壓分別轉換成1 V和1.1 V,經LT3976EUDD電源轉換芯片將電壓分別轉換為3.3 V和2.5 V,滿足了電壓類型多和低電壓輸出的需求。LM2576外圍電路簡單,應用成熟,轉換效率高。LTC3616IUDD非常適合于固定低電壓輸入應用, LM2576電源轉換模塊將輸入電壓轉換為5 V,符合LTC3616IUDD的輸入要求。LT3976EUDD電源轉換芯片轉換效率高,且輸出紋波低,可以低至16 m V。

1.3 過流保護和過熱保護

為了符合FPGA的低電壓、大電流的供電特點,要求必須有過壓保護、過流保護、過熱保護等一系列熱保護電路,才能為后續供電提供可靠的保證。

LTC3616IUDD DC-DC電源轉換芯片和LT3976EUDD DC-DC電源轉換芯片內部帶有過流保護和過熱保護[12]功能。LTC3616IUDD電源轉換芯片的過流保護由電流比較器、誤差比較器等構成。當負載電流增大到一定數值時,將引起電流比較器跳閘并且關斷輸入電源開關,以實現過流保護的功能。誤差比較器主要是進行一系列校準功能,直到平均電流和新的負載電流相匹配。LT3976EUDD電源轉換芯片的過流保護原理和LTC3616IUDD電源轉換芯片的過流保護原理類似,都是采用電流比較器和誤差比較器實現過流保護和過熱保護的功能。

1.4 上電順序控制

由于FPGA有著嚴格的供電要求,其上電是有順序的,先是內核電壓VCCINT上電,再是VCCO上電。本設計中,VCCINT可以直接上電,沒有加延遲;VCCO電壓則是經過幾十ms的延遲再啟動,此延遲過程是通過一個電阻和電容并聯去控制使能EN端,最終達到延遲的目的。系統上電后,先用萬用表測試5 V、3.3 V、2.5 V、1 V、1.1 V電壓是否正常,若正常,再插JTAG線進行程序的下載、調試。ARM也類似,先是核電壓啟動,核電壓起來之后,外設根據需要配置相應的時鐘就可以加電。

2 單元電路設計

2.1 LM2576電路設計

LM2576系列開關穩壓電源具有可靠的工作性能、較高的工作效率和較強的輸出電流驅動能力,且該芯片應用成熟,為導航接收機系統的穩定提供了有力的支持。LM2576電源轉換芯片的轉換效率最高可以達到89%,且待機功率小。圖2是LM2576的相關電路設計。設計中LM2576具體應用電路中的每個參數都是根據實際情況計算出來的。電感L1的選擇與LM2576芯片的輸入輸出電壓、負載電流等數值有關。電路中的輸入電容一般在100μF左右,二極管D1的額定電流值應大于最大負載電流的1.2倍,考慮到負載短路的情況,二極管的電流應大于LM2576的最大電流限制。考慮到以上情況和實際應用,選用IN5822肖特基二極管。

圖2 LM2576轉換電路設計

2.2 LTC3616IUDD電路設計

LTC系列電源轉換芯片適合于散熱較小的器件使用,FPGA和ARM內核電壓較小,散熱也較小,正好符合要求。經電源轉換芯片轉換后的電壓里不免有一些諧波分量,經濾波后,就可以供FPGA和ARM核心電壓供電。LTC3616IUDD電源轉換芯片轉換效率高,符合要求。

圖3是LTC3616IUDD的相關電路設計,將5 V電壓轉換為1 V,其RUN端連接了一個電阻,起保護電路的作用,核電壓無延遲,可以直接上電。

設計中L1、R3、R4值的大小和輸出電壓的大小、工作頻率等數值有關,其他電阻、電感的參數一般情況下不需要改動。L1的計算公式:

式中,vout為輸出電壓,vin為輸入電壓,fsw為開關頻率。R3、R4的阻值只要一個確定,另一個也就確定了,其關系式是R3=R4×(vout/0.6-1)

圖3 LTC3616IUDD轉換電路設計

2.3 LT3976EUDD電路設計

AM3354 I/O供電電壓是3.3 V,FPGA Vitrtex-6 365T I/O供電電壓為2.5 V。FPGA處理完底層信號后,將通過EMIF接口將信號傳送給ARM,由于存在I/O供電電壓不一致的問題,所以需要LT3976EUDD電源轉換芯片將其分別轉換為2.5 V和3.3 V。圖4是LT3976EUDD電源轉換芯片的相關電路設計。

圖4 LT3976EUDD轉換電路設計

LT3976EUDD電源轉換芯片的延遲過程是通過一個電阻和電容并聯去控制使能EN端,最終達到延遲的目的,延遲的時間長短由R1和C4的大小決定。

設計中L1、R4、R6值的大小和輸出電壓的大小、工作頻率等數值有關,其他電阻、電感的參數一般情況下不需要改動。L1的計算公式:

式中vout為輸出電壓;vin是二極管擊穿電壓,一般取vin=0.5 V;fsw為開關頻率,fsw的值和R2的值的大小有關,一旦R2的值確定了,fsw的值也就確定了。

R4、R6的取值關系式為:

3 測試結果

為驗證本設計的正確性,將系統上電后進行測試。按照FPGA嚴格的上電順序,先是內核電壓VCCINT上電,再是VCCO上電。系統上電后,先用萬用表測試5 V、3.3 V、2.5 V、1 V、1.1 V電壓,若電壓正常,再插JTAG線進行程序的下載、調試。實驗表明,各路電源在輸入電壓從8～16 V變化時,輸出穩定度[13]與電壓偏差情況在芯片電壓允許范圍,各路電壓均能正常工作。

結 語

本文提出了一種北斗導航接收機的電源設計[14]方案,且經多次實驗測試,該電源設計準確無誤,各路電源在輸入電壓從8～16 V變化時,輸出穩定度與電壓偏差情況在芯片電壓允許范圍,各電路均能正常工作。以輸入電壓12 V為例,實際測試結果,1 V、1.1 V、2.5 V、3.3 V輸出電壓的波紋最大峰峰值分別為20 m V、27 m V、33 m V、28 m V。以ARM輸出電流為例,實際測試結果,ARM在正常模式下,輸出電流的波紋[15]最大峰峰值分別為93 m A、95 m A、99 m A、96 m A、97 m A;待機模式下,輸出電流的波紋最大峰峰值分別為90μA、98μA、96μA、94μA、95μA。直接連接基于FPGA +ARM的北斗接收機測試時,可以正常對FPGA與ARM的主芯片和I/O接口進行供電,導航接收機工作穩定,能夠實時實現導航定位、測速、授時等功能。

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盧蘭蘭(在讀研究生)、王曉君(教授),主要研究方向為衛星應用技術;馬洪濤(副教授),主要研究方向為智能化儀器儀表、電力電子技術。

Power Management Design of Beidou Navigation Receiver Based on ARM+FPGA

Lu Lanlan,Ma Hongtao,Wang Xiaojun
(School of Information Science and Engineering,Hebei University of Science&Technology,Shijiazhuang 050018,China)

The power plays an important role in the navigation receiver.A power design scheme of navigation receiver which is based on ARM+FPGA is proposed after researching the principle of navigation receiver.The scheme satisfies the supply voltage characteristics and requirements.Combining the power supply and demand characteristics of ARM Cortex-A8 AM3354 and FPGA Virtex-6 365T,the power scheme for navigation receiver system is proposed.The experiment results prove that the scheme is available in practice,and it can achieve the power requirements of navigation receiver.In addition,the test results are within the allowable error range.

power design;navigation receiver;ARM;FPGA

TP334

:A

楊迪娜

2016-07-12)