高性能多核DSP的电源设计方案

针对TI多核DSP电源可变电压、上电顺序复杂等特点，以UCD9222为核心控制器，给出了多核DSP电源的实现方案。介绍了UCD9222硬件设计上的关键要点，通过给出的实际调试实例，进一步分析了在使用UCD9222数字电源中遇到的问题，解决了启动过流错误以及地弹噪声过大的问题。解决方案保证了多核DSP的正常工作，对其他数字电源的设计与调试有一定参考意义。

引言

随着无线通信技术的发展，复杂调制方式与编码格式的使用使得多核数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)的应用越来越广泛。电源是多核DSP设计的基础，也是多核DSP系统设计的一个重点。

为了保证电路工作正常，电源系统必须做到：①稳定，在任何情况下都应正常工作；②电压、上电顺序、功率、纹波等满足负载需求，保证多核DSP达到最好的工作性能；③拥有良好电磁兼容性，尽量少地影响其他器件的正常工作。除此之外，采用多核架构后，低功耗设计是必须考虑的因素。

1 Keystone DSP简介以及电源需求分析

Keystone DSP是TI公司推出的多核DSP，主要包括TMS320C66x系列定点以及浮点高性能DSP。Keystone DSP采用多核架构，每个内核在1.2 GHz工作频率下可以实现38.4 GM AC以及19.2 GFLOPS的性能，片上交互网络带宽达到2 Tbps。Keystone DSP包含一系列协处理器，包括FFT加速器、Turbo编解码器以及Viterbi译码器等。

Keystone DSP的电源主要包括固定电压1.8 V、1.5 V、1.0 V以及可变的0.9～1.1 V核心电压。这些电源的最大功率可以通过TI提供的工具进行估算。这4种电源的主要功能以及电源所需要满足的要求详见表1。

表1：Keystone DSP电源需求

 
其中可变的核心电压使用VID接口向外部发出改变电压的指令，电源必须能够根据VID指令来进行电压调节。Keystone DSP目前只支持SmartReflect Class 0的动态电压调整模式，在上电后提供初始电压(小于1.02 V)，然后在加载程序前根据程序的负载量作一次调节。

对于大部分无线通信以及医疗仪器应用，必须考虑开关电源的电磁兼容性问题，因为这些应用通常包括比较敏感的模拟前端。开关电源的电流通常比较大，不合理的布局以及器件选型会导致电磁兼容性问题。

2 数字电源硬件设计

Keystone DSP电源设计的难点主要集中在其核心电压电源上：

①对于4核Keystone DSP(TMS320C6670)来说，核心电源CVDD的电流要求高达10 A；
②要求通过VID命令调节电压；
③上电顺序要求比较复杂，因此采用数字电源设计更加具有灵活性。

本设计电源控制器采用UCD9222生成PWM波，UCD74111产生15 A CVDD电源，UCD74106产生6 ACVDD1电源。

UCD9222是一个基于ARM V7的专用电源PWM生成器，支持VID命令电压调节。通过TI Fusion Digital Power Designer上位机软件可以设置VID参数，包括VID命令的位宽以及VID值所对应的具体电压。
UCD9222可以通过电源启动时间以及电压跟踪来实现上电顺序。根据负载芯片需求，通过设置电源启动时间即可满足要求。将CVDD的上电延迟设置为0 ms，CVDD1的上电延迟设置为20 ms，并将两者的上电时间设置为5 ms，可以满足TMS320C6670的上电顺序。

UCD9222采用数字闭环控制产生PWM波，具体结构如图1所示。CVDD的电压值经过滤波网络后接入UCD9222，UCD9222自带闭环控制器计算PWM波的占空比;同时负载DSP向UCD9 222发送VID指令调节内核电压。闭环控制器的参数可以使用上位机程序进行设计。对于大多数应用场合，可以采取自动参数调整的方法进行参数整定，即可获得较好的反馈控制效果。

图1：UCD9222电压反馈的功能模块图（仅画出CVDD）

 
降压开关电源中的电感L主要起到整流作用。电感L与输出纹波以及瞬态响应都有很大关系。对电感电流在1个开关周期内进行积分可得
 

 
其中，VIN为输入电压，VOUT为输出电压，△I为电流波动值，FS为开关频率。一般来说，电流波动值采用额定电流的40%。假设VIN=12 V，VOUT=1 V，△I=40%I=2.4 A，FS=400 kHz，计算得出整流电感为1.0μH。

同时，输出电容的容值以及等效串联电阻很大程度上会影响输出电压的纹波电压。纹波电压可以用下式估计：
 

 
其中，△I为电流波动值，ESR为等效串联电阻，C为电容容值，FS为开关频率。

3 数字电源的调试

对于大多数电源模块来说，调试相对比较简单。而UCD9222包含动态电压调整功能，因此参数的选定以及调试加大了难度。本文就UCD9222使用中遇到问题进行分析。

3.1 软启动故障的排除

对于大电流负载来说，通常负载电阻较小。当启动时，瞬时增加的占空比会导致电流的急剧上升。UCD9222采取软启动策略，即以开关管所能响应最小脉宽作为启动序列，慢慢增加脉宽。即使使用最小脉宽，在不正确的参数以及外围电路的条件下，瞬时电流也有可能超出极限值，触发FLT信号，UCD9222在接收到了FLT报警信号后会立即关断PWM输出。开关管的启动电压可以用下式计算：

VSTART=PFSWVIN

其中，VSTART为开关管的启动电压，P为开关管能最低响应的脉宽，FSW为开光管的频率，VIN为开关管的输入电压。当VlN=12 V，P=20 ns，FSW=1 MHz时，VSTAKT=0.24 V。

假设VSTART可以视为作用于负载的阶跃信号，负载的简化原理图如图2所示。
 

图2：负载简化后的原理图

 
那么，流过开关管的电流IL(t)的Laplace变换可以写成：
 

 
当L=0.47μH，C=1 mF，RL=180 mΩ，RS=22 mΩ时，使用MATLAB进行仿真，结果如图3所示。
 

图3：启动电流的仿真波形

 
当t=26.4 μs时，输出电流达到最大值6.07 A，这个值虽然小于UCD74106的最大报警电流值，当考虑电路的实际特性时，瞬时峰值电流的实际值可能会比仿真结果大，进而触发FLT信号。

为了减小启动时刻的过冲电流，可以考虑的策略包括：

①减小VSTART，可以采取的措施包括降低VIN值，降低开关频率，尝试以更低脉宽作为启动序列。降低VSTART电压后，会成比例地降低启动过冲电流。
②增大整流电感值，虽然增大电感值可能会降低电源的瞬态反应，但是会降低开启时的瞬时电流。
③在设计时选用电流冗余度更大的开关管或者选用支持PWM调压的开关电源模块。进一步增大系统冗余度，降低设计难度。
④断开FLT。在特殊情况下，瞬时过冲电流可能造成FLT异常报警。由于UCD9222的控制已经包含电压的闭环控制以及电流的监控，即使断开FLT，也能够提供一定的可靠性，但这对系统的稳定性可能存在一定隐患。

将开关频率调整至400 kHz，并将整流电感从0.47 μH调整为2.2μH后，系统恢复正常。

3.2 地弹噪声的减小

地弹噪声是由于变化的电流在感性回流路径上产生的电动势。由电感电压表达式U=LdI/dt知，当电流发生变化时，地平面回路上会形成噪声。由于开关电源的原理，在上下开关管交替开启时会产生波动电流，产生的地弹噪声峰峰值有可能高达数伏特并伴有大量高频谐波，如图4所示，进而干扰电路其他的部分。
 

图4：地弹噪声的波形

 
为了降低地弹噪声，可以减少回流电感L，尽量使用多层电路板，构建完整的地平面。当DSP作为模块连接时，必须考虑接地方案的合理性。

此外，还可以采取减小电流波动值的措施来减小地弹噪声。首先，可以适当增大整流电感值，由整流电感的设计公式可知，当电感值增加时，电流波动值减小，但这样会降低电源的瞬态响应。然后，可以选择低ESR型的钽电容进行去耦，减少由ESR产生的纹波。

将ESR为0.5 Ω的TAJE477*010#NJ钽电容换为ESR为10 mΩ的4TPF470ML钽聚合物电容，并改善部分不合理接地处，地弹噪声能显著降低。

4 动态数字电源测试结果

UCD9222提供电源监控功能，可以使用上位机软件读取实时的电压、电流、温度等运行参数，如图5所示。对DSP加载压力测试程序，测试结果表明，该数字电源能实现DSP动态电压调节的功能以及电流负载的调整。
 

图5：电源运行监视图

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