1 引言

在大型的通信信號處理系統和雷達信號處理系統中，隨著器件的規模不斷擴大，對電源的性能和功率及其外圍濾波電路的要求也越來越高，電源設計對于一個系統的能否正常工作起著至關重要的作用。

在實際應用中，通常利用線性電源或者開關電源給整個系統供電，而對于每一塊獨立的電路板上的每一個集成芯片則需要DC-DC電壓調節器分別調節后供電。其中線性調節器的輸入電流接近于輸出電流，它的效率（輸出功率/輸入功率）接近于輸出/輸入電壓比。因此，壓差是一個非常重要的性能，因為更低的壓差意味著更高的效率。LDO（LowDropout）線性電壓調節器的低壓差特性有利于改善電路的總體效率，這里所介紹的TPS759XX就是LDO線性電壓調節器。

2 TPS759XX系列電壓調節器概述

TPS759XX系列是TI公司專門為DSP、ASIC和FPGA等多芯片系統供電而設計的LDO線性穩壓器，圖1是電路簡化原理框圖。TPS759XX共有5個引腳，VIN是輸入電壓，VOUT是輸出電壓，FB是電阻配置引腳，GND是數字地，EN是調壓使能引腳。

圖1 TPS759XX系列電壓調節器原理圖

TPS759XX系列電壓調節器的主要特性如下：

(1)最大輸出電流7.5A，是TI公司TPS系列線性電源輸出電流最大之一，因此特別適用于ADSP這類需要大電流驅動的芯片。

(2)可以提供固定1.5V、1.8V、2.5V、3.3V等典型電壓，對于特殊的電壓要求情況下，輸出可調節（TPS75901），可以通過串聯適當阻值的電阻來獲得需要的電壓值。

(3)可快速響應線性電壓和負載電流的瞬態變化,在某些應用中，通常要求DSP、MPU、MCU和PLD必須迅速從省電的睡眠和待機狀態進入全工作模式。該系列LDO足以滿足上述應用的需要。

(4)Dropout電壓很低，大約幾百毫伏，輸出電流成正比。靜態電流很低，而且與輸出負載無關。(5)推薦工作條件是輸入電壓為2.8"5.5V，輸出電壓為1.22"5V，輸出電流為0"7.5A，工作溫度TJ保證在-40"125℃范圍內。

3 信號處理系統的板級電源設計

設計中的信號處理系統電路板由外部統一提供5V和3.3V直流電源，電路板上的主要集成芯片包括1片CPLD/FPGA，5片DSP芯片，1片A/D和1片D/A轉換芯片，時鐘晶振及時鐘驅動和輸出驅動等。對于5V和3.3V模擬電壓和數字電壓直接由板外部供給；而對于CPLD/FPGA和DSP通常有一種以上的供電要求。采用Altera公司的FPGAEP1K100，它的輸入輸出供電電壓是3.3V，內核供電電壓為2.5V，總負載電流小于1A；采用AD公司的DSP芯片ADSPTS101，其供電電壓和電流的要求見表1，有至少兩種的電源要求。在選擇電壓調節器時一定要知道輸出電壓和最大負載電流，多芯片系統中，由于所需驅動電流較大，因此只有TPS759XX這類大電流輸出電壓調節器能滿足要求。對于具有5片DSP芯片的系統，當DSP滿負荷工作時的電流約為6.1A。考慮信號處理系統所需，通過電壓調節器變壓得到的電壓應是2.5V和1.2V，總負載電流小于7.5A，一片TPS75901（或者TPS75925）就可以滿足需要。若總負載電流大于7.5A時要增加TPS759XX，否則將影響芯片的正常工作。



4 信號處理系統中TPS759XX應用配置考慮

4.1 對于輸出電壓可調節情況的電阻配置

對于固定輸出的TPS75915(VO=1.5V)、TPS75918(VO=1.8V)、TPS75925(VO=2.5)、TPS75933(VO=3.3)不需要配置電阻，對于輸出可調節的TPS75901則需要配置外部電阻來得到需要的輸出電壓。圖2所示是TPS95901典型應用電路。



圖2 TPS75901電壓調節器典型應用電路

輸出固定情況下，FB（PG）引腳用于指示輸出電壓的狀態。輸出可調節情況下，FB引腳用于電壓反饋輸入引腳，在VO和FB之間配置電阻可以獲得所需電壓。輸出電壓利用下式計算：VO=Vref（1+R1/R2）這里內部參考電壓Vref=1.224V。選擇電阻R1和R2應該保證分壓電流大約40μA。推薦選擇R2=30.1kΩ，R1根據輸出電壓的給定值來確定。R1的取值可由下面的式子計算而得：R1=(VO/Vref-2)R2。

4.2 濾波電容

為了保證輸入的穩定性，在輸入電壓和地之間要連接瓷片電容（0.22"1μF），并且要盡量靠近輸入電壓引腳安裝。由于電源本身存在阻抗，會引起輸入電壓下降，當降到一定程度，TPS759XX將停止工作，因此最好和瓷片電容并聯一大電解電容，電容值的范圍為47"1000μF。

5 信號處理系統PCB板電源設計考慮

所有的集成電路都有一個最大允許的節點溫度，超過運行節點溫度，器件將不能正常工作，LDO線性電壓調節器也不例外。系統設計者必須考慮運行環境使運行節點溫度不超過最大運行節點溫度。通常情況下，線性調節器的最大功率可以通過以下的公式計算出來：

PDmax=（VI(avg)-VO(avg)）IO(avg)+VI(avg)×I(Q)（1）

式中：VI(avg)為平均輸入電壓；VO(avg)為平均輸出電壓；IO(avg)為平均輸出電流；I(Q)為靜態電流

對于大部分TI的LDO調節器，與平均輸出電流相比，靜態電流可以忽略。因此式（1）的后一項可以忽略。運行節點溫度等于環境溫度與調節器功耗引起的溫度增加之和。溫度增加可以由下面的公式計算而得。公式如下：

TR=PDmax×（RJC+RCS+RSA）(2)

TJ=TA+TR(3)

式中：TA為環境溫度；TR為調節器功耗引起的溫度增加；TJ為工作溫度式（2）中（RJC+RCS+RSA）項與封裝形式和散熱器有關。工作溫度TJ要限制在-40"+125℃范圍內，因此散熱問題必須考慮。TPS759XX系列有兩種封裝形式。對于TO-220封裝形式，通過打孔和貼裝散熱片提供了一種有效的散熱方式；對于TO-263封裝形式，通過增大引腳的敷銅面積散熱效果好。一種通過增大引腳敷銅面積散熱的封裝示意圖如圖3所示。



圖3 參考封裝

在進行PCB板設計過程中，電源要單獨置于一層，電源層應采用電源分割的形式，每個芯片每種電源分別分割成不同的電源塊，電流流入處要放置大的過孔，且大面積敷銅。電源分割寬度和所置過孔的規格應根據電流的大小來確定，表2中所示是標準條件下，安全工作載流量對照表。



已知敷銅厚度的情況下，可以計算出對應電流的分割寬度或者孔徑及孔數目，根據計算結果分割和打過孔。例如，設敷銅厚度h=0.04mm，電流I=3A，計算分割寬度w。根據表2中的數據，對應截面積應該是0.14mm2，則w=0.14/0.04=3.5mm，電源分割時的最小寬度應大于此值。

6 信號處理系統的供電系統實現

對于壓差較小的情況，可以一次降壓，降到所要求的電壓，比如由3.3V降到2.5V，這種情況相對簡單，只需配置適當的輸入輸出濾波網絡即可；對于壓差較大的情況，可以采用分級降壓的方式，這種方式可以減小電流損耗，提高調節器的工作效率，同時避免功率過高引起調節器溫度過高。圖4所示是信號處理系統板級供電電源實現框圖。圖5是實現電路圖。



圖4 信號處理系統板級供電電源實現框圖



圖5 信號處理系統板級供電電源參考電路圖

對于多芯片系統，最好采用各個芯片分別供電的方式，第一級可以采用TPS75901或者TPS75925，電壓由3.3V降到2.5V，為了說明電阻配置方法，這里采用TPS75901，為了保證精度，用一個固定電阻R1和一個可變電阻RP1通過適當調節得到2.5V，根據前面所述計算方法，可變電阻應調節到61.479kΩ。第二級根據板上芯片的多少，配以對應數量的小電流調節器REG1117A分別降壓到1.2V，5片ADSP要用到5片REG1117A，由于篇幅所限，圖中只給出2片的情況，其余相同。輸出的1.2V再通過不同的濾波網絡為DSP提供1.2V的模擬電源和數字電源。濾波電容的配置電路圖中已詳細給出，PCB設計時每個電源引腳附近還要放置去耦電容。圖中供電系統的實現方法在實際應用中性能良好。