基于TPS54350型DC/DC变换器供电系统设计

1 引言

TPS54350是德州仪器(TI)新推出的一款内置MOSFET的高效DC／DC变换器．采用小型16引脚HISSOP封装．连续输出电流为3A时，输入电压范围为4．5V"20V。该变换器极大地简化了负载电源管理的设计，使得设计人员可直接通过中压总线(而不依赖额外的低电压总线)为数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)及微处理器供电。TPS554350SWIFT(采用集成FET技术的开关)DC／DC变换器的效率高达90％以上，非常适用于低功耗工业与商用电源、带液晶显示屏(LCD)的监视器与电视、硬盘驱动、视频图像卡以及9V或12V墙式适配器负载点稳压装置。   

2 TPS54350的特性和功能   

2．1 TPS54350的特性   

TPS54350型DC／DC变换器的主要特性如下：   

连续输出电流为3A时．效率达90%以上；   
输入电压范围为4．5V一20V：   
输出电压可调低至0．891V(精确度为l％)；   
可编程外部时钟同步：   
宽的脉宽调制(1)WM)频率一固定为250kHz、500kHz或250kHz"700kHz的可调节范围：   
峰值电流限制与热关断保护：   
可调节的欠压关断；   
内部软启动：   
电源安全输出。   

2．2 TPS54350引脚功能和电路功能   

2．2．1 引脚功能   

VIN：电压输入引脚，范围为4．5V～20V，必须旁路连接一个低等效串联电阻(ESR)的10μF陶瓷电容器：   

UVL0：欠压闭锁输出：   
PWRGD：开漏输出。该引脚为低电平时，表示输出低于期望的输出电压值。PWRGD比较器的输出端有一个内部的上升沿滤波器：   
RT：频率设置引脚。在RT引脚与地(AGND)之间接一只电阻器．设置转换频率。将RT引脚接地或悬空可以得到一个内部备选频率；   
SYNC：双向I／O同步引脚。当RT引脚悬空或置低电平时，SYNC为输出：当它与一个下降沿信号连接时，亦可作为一个输入端口来同步系统时钟：   
ENA：使能引脚。低于0．5V时。电路停止工作；悬空时被使能；   
COMP：误差放大器输出：   
VSENSE：误差放大器转换节点，基准电压值：   
AGND：模拟地，内部与感应模拟地电路连接。与PGND和PowerPAD连接：   
PGND：电源地，与AGND和PowerPAD连接；   
VBIAS：内部8．0v偏置电压。该引脚要接1只0．1μF的陶瓷电容器：   
PH：相位端，与外部LC滤波器连接；   
BOOT：在BOOT引脚与PH引脚之间连接一只O．1μF的陶瓷电容器。   

2．2．2 电路功能   

TPS54530支持中等范围的电流输出．能够将输出电压降至0．891V．其精度可达l%。TPS54530集成了高端MOSFET和一个可选择的低端外部MOS-FET栅极驱动器。此外，该器件还采用了高性能电压误差放大器，极大地改善了瞬时条件下的性能，从而可灵活选择输出滤波电感器与电容器。开关频率固定在250kHz或500kHz，也可以将其升高到7OOkHz，以缩小无源组件的尺寸。   

图1示出TPS54350的实际应用电路，图中给出的是其中一种情况，其输出电压是可变的，通过改变电阻器R2的阻值，可得到期望的输出电压值。图l中的输入电压为12V，输出电压为3.3V，其中R2的计算公式为：   

R2=R1x0．891／(Vo-0.891)   
R1=1KΩ   


  
表1给出当Rl=lkΩ和R1=10kΩ,时的几种输出电压下的R2的值。笔者设计的系统就是应用图1所示的电路来实现。根据不同的输出电压要求赋给R2不同的阻值，其阻值的取法可参照表l。另外，对于设计者来说，设计电路时要考虑到表2所列的几个因素。本系统中的R。=lkΩ。   


  
3 TPS54350在信号处理系统中应用   

3．1 系统组成及供电电路   

本信号处理系统采用的是ADl公司的TS201S型ADSP组成的多片某仿真雷达信号处理系统．系统主要由5个DSP、1个FPGA和7个TPS54350组成。在以往使用的MAXl951和。PEGlll7的经验基础上．经过多方面的设计考虑，采用了TPS54350型DC／DC变换器．从表1可以看出．TPS54350可以输出3．3V、2．5V和1．2V的电压。系统中的DSP采用240MHz时钟，每个指令周期约为4．17ns。根据TS201S型ADSP的工作条件可知，当温度为25℃、时钟CCLK(为250MHz时，典型情况下的VDD(1．25V)供电电流典型值为1．2A，VDD的供电电流小于137mA。TPS54350的额定输出电压为3A．所以此系统的设计是合理的。   

TigerSharDSP有3个电源，其中数字2．5V(VDD_Io)为I／0供电；数字1．2V(VDD)为DSP内核供电；模拟1．2V(VDD_A)内部锁相环和倍频电路供电。系统将主机提供的5V,经过TPS54350得到2．5V和1．2V的电压。各片DSP的数字1．2V(VDD)电源各由1个TPS54350供给。5个。DSP内部模块1．2V(VDD)由同一个。DSP的VDD(+1．2V)经滤波网络后解决。5个。DSP的FO2．5V电源直接由主机提供的5V经过TPS54350得到2．5V统一供给，同时提供FPGA(EPU1。K30)的VccM(+2．5V)电压。其中FPGA的Vcc_IO(+3．3V)利用TPS54350输出的+3.3V电压来供电。本系统的供电电路框图如图2所示。图3示出单个DSP的内核供电电路框图及外围电路配置。   


  
3．2 问题及其解决方案   

T37S54350采用小型16引脚HTSSOP封装。根据以往的经验，建议设计PC板时最好给TPS54350加上散热片，电源线尽量粗一点。在TPS54350的前后均加上滤波网络，尽量保证得到比较合适的电压。   

系统中的EPlK30产生上电复位波形和时序控制。由于EPlK30需要一个配置电路，而且它和DSP存在一个上电先后的问题。即在上电后，如果FPGA完成配置文件的读入时．DSP仍未上电稳定．则应充分延长TStart_I0的低电平时间，以避免DSP上电未稳定而FPGA上电波形已结束的情况发生。因此。应保证DSP上电稳定先于FPGA配置文件的读入，此问题在系统设计时应予以充分重视．否则DSP将无法正常工作。TigerSharcTS201S要求数字2．5V和l-2V应同时上电。若无法严格同步，则应保证内核1．2V电源先上电．I/0的2．5V电源后上电。本系统在数字2．5V输入端并联了一个大容量电容器．在数字1．2V输入端并联了一个小容量电容器．其目的就是为了保证2．5V充电时间大于1．2V充电时间．来解决电源供电先后的问题。   

4 结束语   

设计一个系统时．电源的设计起着重要的作用。电路的选择更为重要，选择一个性价比高、散热性能好、节省资源的电路是设计的关键。本文是在总结实践经验的基础上进行论述的，该雷达信号处理系统经过实际工作测试．证明其性能是很稳定的．供其他硬件设计者借鉴。