基于TPS54350型DC/DC變換器的供電系統設計

摘 要：介紹德州儀器公司推出的內含MOSFET的TPS54350型高效DC―DC變換器的特性及引腳功能。描述TPS54350在某信號處理器供電系統中的應用。給出供電系統的詳細設計方案和參考電路．同時也對實際工作中可能出現的問題進行了討論，供硬件設計者參考。
關鍵詞：DC／DC變換器：TPS54350；信號處理器：供電系統

1 引言
TPS54350是德州儀器(TI)新推出的一款內置MOSFET的高效DC／DC變換器．采用小型16引腳HISSOP封裝．連續輸出電流為3 A時，輸入電壓范圍為4．5 V~20 V。該變換器極大地簡化了負載電源管理的設計，使得設計人員可直接通過中壓總線(而不依賴額外的低電壓總線)為數字信號處理器(DSP)、現場可編程門陣列(FPGA)及微處理器供電。TPS554350 SWIFT(采用集成FET技術的開關)DC／DC變換器的效率高達90％以上，非常適用于低功耗工業與商用電源、帶液晶顯示屏(LCD)的監視器與電視、硬盤驅動、視頻圖像卡以及9 V或12V墻式適配器負載點穩壓裝置。

2 TPS54350的特性和功能
2．1 TPS54350的特性
TPS54350型DC／DC變換器的主要特性如下：
連續輸出電流為3 A時．效率達90%以上；
輸入電壓范圍為4．5 V一20V：
輸出電壓可調低至0．891 V(精確度為l％)；
可編程外部時鐘同步：
寬的脈寬調制(1)WM)頻率一固定為250 kHz、500 kHz或250 kHz~700 kHz的可調節范圍：
峰值電流限制與熱關斷保護：
可調節的欠壓關斷；
內部軟啟動：
電源安全輸出。

2．2 TPS54350引腳功能和電路功能
2．2．1 引腳功能
VIN：電壓輸入引腳，范圍為4．5V～20V，必須旁路連接一個低等效串聯電阻(ESR)的10μF陶瓷電容器：
UVL0：欠壓閉鎖輸出：
PWRGD：開漏輸出。該引腳為低電平時，表示輸出低于期望的輸出電壓值。PWRGD比較器的輸出端有一個內部的上升沿濾波器：
RT：頻率設置引腳。在RT引腳與地(AGND)之間接一只電阻器．設置轉換頻率。將RT引腳接地或懸空可以得到一個內部備選頻率；
SYNC：雙向I／O同步引腳。當RT引腳懸空或置低電平時，SYNC為輸出：當它與一個下降沿信號連接時，亦可作為一個輸入端口來同步系統時鐘：
ENA：使能引腳。低于0．5 V時。電路停止工作；懸空時被使能；
COMP：誤差放大器輸出：
VSENSE：誤差放大器轉換節點，基準電壓值：
AGND：模擬地，內部與感應模擬地電路連接。與PGND和PowerPAD連接：
PGND：電源地，與AGND和PowerPAD連接；
VBIAS：內部8．0 v偏置電壓。該引腳要接1只0．1 μF的陶瓷電容器：
PH：相位端，與外部LC濾波器連接；
BOOT：在BOOT引腳與PH引腳之間連接一只O．1μF的陶瓷電容器。

2．2．2 電路功能
TPS54530支持中等范圍的電流輸出．能夠將輸出電壓降至0．891 V．其精度可達l%。TPS54530集成了高端MOSFET和一個可選擇的低端外部MOS-FET柵極驅動器。此外，該器件還采用了高性能電壓誤差放大器，極大地改善了瞬時條件下的性能，從而可靈活選擇輸出濾波電感器與電容器。開關頻率固定在250 kHz或500 kHz，也可以將其升高到7OO kHz，以縮小無源組件的尺寸。

圖1示出TPS54350的實際應用電路，圖中給出的是其中一種情況，其輸出電壓是可變的，通過改變電阻器R2的阻值，可得到期望的輸出電壓值。圖l中的輸入電壓為12 V，輸出電壓為3．3 V，其中R2的計算公式為：
R2=R1x0．891／(Vo-0.891)
R1=1 KΩ

表1給出當Rl=l kΩ和R1=10 kΩ,時的幾種輸出電壓下的R2的值。筆者設計的系統就是應用圖1所示的電路來實現。根據不同的輸出電壓要求賦給R2不同的阻值，其阻值的取法可參照表l。另外，對于設計者來說，設計電路時要考慮到表2所列的幾個因素。本系統中的R。=l kΩ。

3 TPS54350在信號處理系統中應用
3．1 系統組成及供電電路
本信號處理系統采用的是ADl公司的TS201S型ADSP組成的多片某仿真雷達信號處理系統．系統主要由5個DSP、1個FPGA和7個TPS54350組成。在以往使用的MAXl951和。PEGlll7的經驗基礎上．經過多方面的設計考慮，采用了TPS54350型DC／DC變換器．從表1可以看出．TPS54350可以輸出3．3 V、2．5 V和1．2V的電壓。系統中的DSP采用240 MHz時鐘，每個指令周期約為4．17 ns。根據TS201S型ADSP的工作條件可知，當溫度為25℃、時鐘CCLK(為250 MHz時，典型情況下的VDD(1．25V)供電電流典型值為1．2 A，VDD的供電電流小于137 mA。TPS54350的額定輸出電壓為3 A．所以此系統的設計是合理的。

TigerShar DSP有3個電源，其中數字2．5 V(VDD_Io)為I／0供電；數字1．2 V(VDD)為DSP內核供電；模擬1．2 V(VDD_A)內部鎖相環和倍頻電路供電。系統將主機提供的5V,經過TPS54350得到2．5V和1．2 V的電壓。各片DSP的數字1．2V(VDD)電源各由1個TPS54350供給。5個。DSP內部模塊1．2V(VDD)由同一個。DSP的VDD(+1．2V)經濾波網絡后解決。5個。DSP的FO 2．5V電源直接由主機提供的5V經過TPS54350得到2．5V統一供給，同時提供FPGA(EPU1。K30)的VccM(+2．5 V)電壓。其中FPGA的Vcc_IO(+3．3V)利用TPS54350輸出的+3.3V電壓來供電。本系統的供電電路框圖如圖2所示。圖3示出單個DSP的內核供電電路框圖及外圍電路配置。

3．2 問題及其解決方案
T37S54350采用小型16引腳HTSSOP封裝。根據以往的經驗，建議設計PC板時最好給TPS54350加上散熱片，電源線盡量粗一點。在TPS54350的前后均加上濾波網絡，盡量保證得到比較合適的電壓。

系統中的EPlK30產生上電復位波形和時序控制。由于EPlK30需要一個配置電路，而且它和DSP存在一個上電先后的問題。即在上電后，如果FPGA完成配置文件的讀入時．DSP仍未上電穩定．則應充分延長TStart_I0的低電平時間，以避免DSP上電未穩定而FPGA上電波形已結束的情況發生。因此。應保證DSP上電穩定先于FPGA配置文件的讀入，此問題在系統設計時應予以充分重視．否則DSP將無法正常工作。TigerSharc TS201S要求數字2．5V和l-2V應同時上電。若無法嚴格同步，則應保證內核1．2V電源先上電．I/0的2．5 V電源后上電。本系統在數字2．5 V輸入端并聯了一個大容量電容器．在數字1．2 V輸入端并聯了一個小容量電容器．其目的就是為了保證2．5V充電時間大于1．2V充電時間．來解決電源供電先后的問題。

4 結束語
設計一個系統時．電源的設計起著重要的作用。電路的選擇更為重要，選擇一個性價比高、散熱性能好、節省資源的電路是設計的關鍵。本文是在總結實踐經驗的基礎上進行論述的，該雷達信號處理系統經過實際工作測試．證明其性能是很穩定的．供其他硬件設計者借鑒。