基于TPS54350的紅外熱像儀電源設計

紅外熱像儀是一種利用紅外探測器將看不見的紅外輻射轉換成可見圖像的被動成像儀器，其對紅外圖像實時處理的特點要求配套DSP有很高的處理速度。而且，紅外設備熱敏性高，易受溫度等環境因素的影響，在不同的應用場合需要不同的處理方法。因此，一個穩定而可靠的電源系統是至關重要的。本系統采用了TMS320DM6437來實現電源系統，可根據環境的變化而采用不同的算法和參數。

根據TMS320DM6437的數據手冊，其需要VCORE (1.2V)、VDDR(1.8V)和VI/O(3.3V)三種電源，內核電源的最大電流為597mA，而I/O電源的最大工作電流是25mA。另外，還需考慮上電順序。同時，熱像儀的調焦電機需12V電源，其他IC選用3.3V器件，因此，整個系統需12V，3.3V，1.8V及1.2V四種電壓。
??
電源系統設計
TPS54350是具有內部MOSFET的高效 DC/DC轉換器，連續輸出電流為3 A時，支持輸入電壓范圍為4.5～20V，可使設計人員直接通過中壓總線(而非依賴額外的低電壓總線)為DSP、FPGA和微處理器供電。TPS54350構成的DC/DC轉換器效率高達90％以上，非常適用于低功耗的液晶顯示屏、監視器、液晶電視機、硬盤驅動器、視頻圖像卡以及9V或12V墻式適配器的負載穩壓裝置。TPS54350的輸出電壓可調低至0.891V（精確度為1%）；PWM 頻率固定為250kHz、500kHz或250～700kHz的可調節范圍，還具有完善的保護功能。因此，TPS54350符合系統設計要求。

????
1 TPS54350引腳功能
VIN：電壓輸入引腳，范圍為4.5～20V，必須旁路連接一個低等效串聯電阻(ESR)的10μF陶瓷電容器。?

UVLO：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。?

RT：頻率設置引腳。在RT引腳與模擬地（AGND）之間接一個電阻器來設置轉換頻率。將RT引腳與地連接或是懸空，可以來得到一個內部的備選頻率。?

SYNC：雙向I/O同步引腳，當RT引腳懸空或置低時，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0.5V時，芯片停止工作；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8.0V偏置電壓，引腳要接一個0.1μF的陶瓷電容。?

PH：相位，與外部LC濾波器連接；

BOOT：在BOOT引腳與PH引腳之間連接一個0.1μF的陶瓷電容。

2 電路分析
① 輸出電壓可調
TPS54350的輸出電壓是可調的，如圖1所示，通過改變電阻R2 的值來得到期望的輸出電壓值。R2的計算公式為：

R2=（R1×0.891）/(V0-0.891)? (1)

圖1中的輸入電壓為12V，為得到3.3V的輸出電壓，將R1取一定值1kΩ，此時根據公式（1）計算可得，R2＝374Ω。

圖1? 12V轉3.3V/1.8V典型電路

表1為當R1為10kΩ時，幾種輸出電壓下R2的推薦值。

輸出電壓?R2(kΩ)
1.2?28.7
1.5?14.7
1.8?9.76
2.5?5.49
3.3?3.74

同理，要得到1.8V的輸出電壓，將R12取1kΩ，則R7應為976Ω。

② 設置上電順序
如圖1所示，產生3.3V電壓的U1的PWRGD引腳接至產生1.8V電壓的U2的SS/EN引腳。這樣，即使電容擊穿，在開始上電時，產生3.3V電壓的U1輸出未達到閾值，PWRGD輸出低電平，產生1.8V電壓的U2處于關閉狀態，直至3.3V電壓穩定，這樣可確保3.3V先上電；掉電時，U1的輸出低于閾值，PWRGD引腳輸出低電平，U2的輸出關斷，保證1.8V先斷電。根據上述原理，在紅外熱像儀中采用一片TPS54350給DSP內核供1.2V電壓，另兩片54350分別給DSP外圍I/O提供3.3V電壓及1.8V的DDR電壓，設置上電順序為1.2V→3.3V→1.8V。

電壓監控與復位電路
在紅外成像儀系統中，由于視頻電路的高頻特性，開關的電磁輻射和線路噪聲都將干擾電路的器件工作電壓。且DSP對工作電壓要求較高，偏差不能超過 5％，一旦工作電壓超出該偏差，長時間工作容易縮短器件壽命甚至燒毀。因此，系統設計需要通過電壓監控電路實時監控器件工作電壓，確保系統提供穩定正常的電壓。

電壓監控電路工作原理：系統上電期間，監控器件的復位信號保持有效，使DSP始終處于復位狀態，一旦監控的電壓值達到規定的門限電壓，則釋放復位，DSP即可正常工作。在工作中，如果監控電壓低于門限值，監控器件再次發送復位信號使系統復位。

TPS3808是TI公司的一款具有低靜態電流、可編程延遲的監控電路。主要參數包括：輸入電壓范圍1.8～6.5V，上電復位可調整延遲時間1.25ms～10s，典型靜態電流2.4μA，高精度門限0.5％。

當TPS3808的SENSE引腳電壓低于門限電壓或MR有效時，復位引腳輸出復位信號，CT引腳用來設定復位延遲時間，若懸空延遲時間為20ms，通過電阻連接至VDD則延遲時間為300ms，也可通過電容接地，根據電容值的不同可將延遲時間設定為1.25ms～10s，電容值的計算公式如下：

CT(nF)=[tD(s)-0.5×10-3(s)]×175? (2)

本系統采用TPS3808G12、TPS3808G18和TPS3808G33分別對1.2V，1.8V和3.3V電壓進行監控，三者的門限電壓分別為1.12V、1.67V和3.07V，當輸入電壓低于門限電壓時，DSP就會收到復位信號，從而對電路進行了保護。另外，TPS3808還具有一個手動復位信號MR，可通過復位按鈕手動復位。

圖2? TPS3808典型應用電路

結語
經使用證明，以高性能DC/DC調節器TPS54350為核心設計的紅外熱像儀電源電路，能夠提供穩定精準的電壓，且能保證正確的上電時序。另外，電壓監控與復位電路使整個系統長期穩定工作，同時也避免因電壓波動而造成DSP加載異常。所以，本系統設計的電源系統也適用于其他DSP系統應用場合。