摘 要： 本文介绍了某种型号扩频单元的电源设计方案，并对电源芯片TPS70351的特点和应用进行了论述。

关键词：电源设计；TPS70351；芯片散热

引言

在现代通讯设备中，容量的增加、功能的扩展等都造成电源功率大大增加，EMI、防干扰、防止浪涌等其它问题也随之出现。一个良好的产品在设计之初，就必须从整体上考虑电源的EMI、防干扰、浪涌、瞬态保护及散热等重要因素，因此电源设计是很重要的一个环节。

在实际设计中，设备的整体供电大多采用开关电源；而相对于每一块电路板或每一片重要芯片（如FPGA、DSP）的供电则需要电压调节器，它主要包含开关型、并联型和线性调节器。开关调节器的效率较高，但其本身具有一定的开关噪声，从而会从电源的输入端产生差模与共模干扰信号。线性/并联型调节器的低噪声和简单性使它相对于开关调节器更有吸引力。最简单的电压调节器是并联型调节器，它通过调节流过电阻的电流，使输入电压下降到一个稳定的输出电平。线性调节器的输入电流接近于输出电流，它的效率（输出功率除以输入功率）接近于输出/输入电压比。因此，压差是一个非常重要的性能，因为更低的压差意味着更高的效率。LDO（Low Dropout）线性稳压器的低压差特性有利于改善电路的总体效率，本文采用的就是LDO线性稳压器。

表1　C60000系列DSP供电电压和电流（略）

扩频单元的板级电源设计

某种型号扩频单元的电路板由总体设备统一提供 12V和+5V直流电源。在设计中，用 12V经过稳压变成 5V和+3.3V，给中频、A/D、D/A和时钟等模拟电路供电，而利用+5V经过LDO（低压差线性稳压器）电源给FPGA及DSP等数字电路供电。这样，对模拟和数字两种电路的供电进行了隔离，从而减轻了相互之间的串扰。

由于数字电路，特别是DSP电路，对电源供电的功率、上电顺序和瞬态保护等要求较严，所以它是设计的重点。在电路中，选用TI公司的TMS320C6000系列DSP芯片，它采用双电源供电机制，以获得更好的电源性能。其内核供电电压为2.5V或1.8V，I/O供电电压为3.3V，见表1。
虽然TI的DSP不要求内核电源和I/O电源之间有特殊的上电顺序，但是假如有一个电源低于正常的工作电压，设计时就要确保没有任何一个电源在这个时间段处于上电状态，如果违反此规则，将严重影响器件的长期可靠性。另外，从系统级考虑，总线竞争就要求按顺序上电。这种情况下，内核电源的上电就应当同步或提前于I/O控制器。讲究供电次序的原因在于：如果只有CPU内核获得供电，周边I/O没有供电，对芯片是不会产生任何损害的，只是没有输入/输出能力而己；如果反过来，周边I/O得到供电而CPU内核没有加电，那么芯片缓冲/驱动部分的三极管将在一个未知状态下工作，这是非常危险的。在有一定安全措施保障的前提下，允许两个电源同时加电，两个电源都必须在25ms内达到规定电平的95％。

图1　TPS703xx系列电源芯片原理结构框图（略）
图2　TPS70351型LDO线性电源芯片典型应用电路（略）

鉴于低噪声和简单性，采用TI公司的TPS70351型LDO线性稳压器对FPGA和DSP的供电。

TPS703xx系列芯片概述

TPS703xx系列是TI公司专门为DSP、ASIC和FPGA等芯片供电而设计的LDO线性稳压器。它提供双路独立稳压输出，且具备电压监测复位（SVS）、手动复位、使能控制以及可编程上电顺序等功能，特别适用于DSP芯片的供电。其原理结构如图1所示。
TPS703xx系列的主要特性如下：
双路独立稳压输出；
可选择的上电顺序；
第一路稳压输出电流达1A，第二路稳压输出电流可达2A；
快速的瞬态反应；
120ms的上电延迟；
第一路稳压输出的"电源准备好"（Power Good）指示；
极低的静态电流（典型值为185 A）；
待机状态的输入电流仅1 A；
低噪声输出，没有旁路滤波电容时VRMS为78 V；
快速输出电容放电功能；
两路手动复位输入；
2%精确度的过载和；过热监测
极低输入电压时锁定输出功能（UVLO）；
过热保护功能。
其典型应用电路如图2所示。

TPS70351的使用效果和散热问题

TPS70351是新一代的集成电路稳压器，是一个自耗很低的微型片上系统(SoC)，具有极低的自有噪音和较高的电源纹波抑制PSRR(Power supply ripple rejection)。此外，其小封装尺寸以及电压监测和复位延迟等功能，使得DSP的供电设计变得更简单和方便，实际使用效果也不错，满足DSP和FPGA的供电要求。

不过，由于线性电源固有的效率较低的缺点，需要对TPS70351的散热问题进行仔细考虑。一般来说，TPS70351对PCB板有最小的散热面积要求，并且随着散热面积的减小，其所能忍受的内部消耗功率的极限值PD(MAX)随之降低，其计算公式为：

P_{D(MAX)}=\frac{T_{Jmax}-T_A}{R_{JA}} （1）
其中，TJ max为节点最大允许温度（绝对极限值可达150 C，一般以120 C计算），TA为环境温度，RJA为从节点到环境的等效热阻。
而TPS70351内部所消耗的功率可按下式计算：
PD(total) =（VI－VO） IO+VI IQ （2）
其中，VI为输入电压，VO为输出电压，IO为输出电流，IQ为静态电流。由于TPS70351的静态电流IQ很小，所以上式可近似表示为：
PD(total) =（VI－VO） IO （3）
一般要求PD(total)≤PD(MAX)。

TPS70351的散热设计可从两个方面入手：提高PD(MAX)和降低PD(total)，由于TJ max、TA、VO和IO都是给定值，所以，只有降低输入电压VI和减小节点到环境的等效热阻RJA两种方法。
虽然在典型应用电路中，两路输出电压（1.8V和3.3V）都共用5V输入电压，为减小芯片功耗，可采用分开供电的方式。按照数据手册，最小输入电压为2.7V或VO(typ)加1V，这样1.8V输出采用3V左右输入电压、3.3V输出采用5V输入电压，可极大地降低功耗，提高电源效率。

按照传热学的原理，热传递可分为三个基本方式，即热传导、热对流和热辐射。节点到芯片表面主要靠热传导，而芯片表面到环境则主要靠热辐射和热对流，前者由芯片内部的结构决定，不能改变，我们采取的措施主要针对后者。所以，可通过增加PCB板上散热面积、贴装散热器和增加抽风等措施来减小等效热阻RJA的值。

结束语

上述方案已在某种型号扩频单元中实现。虽然在散热问题上有过一些曲折，但经过处理后，已顺利通过烤机及高低温试验，说明此设计方案还是比较成功的。