0 引言
数字系统的电源设计要考虑FPGA和DSP芯片的软起动、输出电压、电流的精度、躁声滤波和多负载供电等特殊要求，设计者要翻阅大量的资料，在多种设计方案中进行选择。利用Webench电源设计工具[1]可以在很短的时间内给出多种方案供设计者选择，通过效率、成本、PCB板面积三个方面对设计进行优化，节约了大量的时间，提高了设计效率。
1 红外图像处理系统的电源要求
1.1 系统功能分析
红外探测器采集到红外图像，以LVDS形式送给FPGA，经过解码，时序变换和预处理，分成两路，一路存贮到DPRAM中，由FPGA发出一个外部中断给DSP，DSP接收到中断后从DPRAM中读图进行处理，把结果信息写到FPGA的FIFO中，预处理出来的另一路信号把FIFO中的信息叠加上去，送给VGA显示接口模块，在显示器上显示图像。
1.2 系统的电源要求
根据系统功能分析，首先确定硬件电路的设计方案。FPGA是系统的核心， 采用Xilinx公司的XC6SLX100芯片，内核电压/电流1.2V/4A，辅助电压/电流3.3V/0.15A，I/O口电压/电流3.3V/1A，DSP采用TI公司的TMS320C6416芯片， 内核电压/电流1.4V/2A，I/O口电压/电流3.3V/2A。Flash用来存贮DSP程序，采用MX29LV320T/B芯片，供电电压/电流3V/1A。DPRAM用来存贮系统缓存数据，采用IDT公司的IDT70V639S，供电电压/电流3.3V/1A。硬件电路的外部供电采用电源适配器，输出直流电压为5～9V。考虑到电路负载较多，FPGA供电要求高，电源设计中采用FPGA/处理器的电源架构设计入手。
2 系统电源设计
2.1 FPGA的电源架构设计
FPGA和DSP的内核电压启动要早于I/O口的电压，设计时将内核电压及其它负载作为一路电源，设定软起动时间0.5ms。FPGA的6个Bank和DSP的I/O口作为一路电源， 设计软起动1.5ms。进入Webench设计中心，选择FPGA芯片，根据设计要求
建立电源和添加负载，将优化调校旋钮调到4，择方案3，单击"view project details"，进入检视/编辑界面，图1为内核电压及其它负载电源树，所选芯片都是BUCK型，考虑到电流精度要求，要按照最大输入电压9V进行设计，此时电流误差最大。中间的是Webench提供的电源芯片，右边是5个负载，没有中间电压轨，经过进一步优化选择后，击"Create Project"建立设计工程。
图1 内核电压及其它负载电源树
2.2 DSP内核电源设计
TPS62130[2]是美国德州仪器公司推出的DCSControlTM技术的同步降压转换器，具有可无缝转换至节能模式的直接控制调节拓朴结构，场效应管集成在芯片内部。图2为DSP内核电源原理图，输出电压一路反馈到VOS端，另一路通过R1b1和R1b2反馈到FB端，通过内部DCS-Control拓朴结构调节输出电压。输出电容Cout对输出电压的纹波ΔV有较大影响，ΔV=ΔiL/8Coutfs+ΔiL*ESR，从公式中可以看出，减小ΔV的方法有：1）ΔiL不变时，提高开关频率fs，这样可以选较小Cout，有利于减少PCB板面积，节约成本；2）采用ESR较小的电容。图5是输出电压仿真波形，ΔV约1mV，将fs=2.5kHz，ESR=1.8mΩ代入公式算出ΔiL约250mA。图3是负载瞬态仿真，由于DCS-Control拓扑通过VOS引脚检测实际输出电压，因此非常适合对负载瞬态做出响应。从图中看出，当Iout从2A变到0时，Vout有一正的尖脉冲约1.49V，同样负的尖脉冲约1.35V，经过几十微秒就能恢复稳定，具有优异的瞬态响应。Vout在上冲时没有出现振荡说明电路处于稳定状态，TPS62130具有缓起动功能，通过外接电容Css和内部电路可以调整电源的上电时间，利用这一功能可以调节芯片的内核电压早于I/O口的电压起动，也可以利用芯片的级联达到这一目的[3]。图4为开机时刻仿真，从图中可以看出，当Vin从0到7V时，Vout经过0.2ms就达到1.4V，达到了设计要求。
图2 DSP内核电源原理图
图3 TPS62130负载瞬态仿真
图4 TPS62130开机时刻仿真
图5 TPS62130稳态仿真
2.3 I/O口电源设计
LM2734[4]是美国德州仪器公司的高速同步降压稳压控制器，芯片的驱动部分充许最大16V的输入电压，具有自适应非重叠MOSFET门级驱动器，SS/TRACK引脚用于提供起动延时。图6是FPGA和DSP芯片的I/O口电源原理图，由于输出电流较大，采用外接MOSFET的方法，HG和LG分别是上、下MOS管的驱动引脚，主要外部元件有输入、输出电容Cin、Cout，MOS管M1和M2，输出电感L1。对于开关频率和电感L1大小之间的关系分析如下：因为L=U×Δt/Δi，D=TON×fs，所以L=U×D/fs×Δi，由此可见当Δi和D不变时，提高开关频率可以减小电感值，减小PCB板面积，使输出电压的纹波ΔV变小，但是提高频率会使MOS管M1和M2的开关损耗增大，电源效率下降。利用优化调校旋钮，根据设计要求，在效率、PCB板面积方面进行优化，Webench将会重新计算并给出结果。图7为LM2734稳态仿真图，从中看出负载电流1A时，Vout平均值为3.27V，ΔV约10mV，满足设计要求。
电源设计工具还提供原理图导出功能，单击CAD按钮，可将原理图导出Altium Designer等PCB板设计软件中。
图6 I/O口电源原理图
图7 LM2734稳态仿真
3 系统电源的PCB布线
在进行PCB设计之前，对于可以进行热仿真的芯片(芯片前有温度计标志)进行热仿真，其目的是控制系统电源中所有元件的温度，保证在其工作环境中元件温度不超过标准所规定的最高温度。PCB布线中主要考虑有：
1)电源接地技术；2)芯片和外部元件放置的一般原则；3)滤波电容的布线及要求；4)电源芯片外接功率MOSFET的布线要求及去耦；5)大电流走线和过孔；6)散热的情况等方面，美国德州仪器公司网站上会给出一些参考文档。
4 结束语
利用电源设计工具只需输入几个参数就能得到所需设计方案，提高了设计效率，是一款不错的辅助设计工具。不足之处是方案中的电源参数有时不能满足设计要求，能仿真的电源芯片不多。
参考文献：
[1] Perry J.使用系统级设计工具设计FPGA电源[J].电子技术应用,2011(7):17-18.
[2] Texas Instruments.采用3×3四方扁平无线(QFN)封装的3-17V 3A降压转换器[EB/OL].
[3] 马晓东,刘鑫.基于TPS54610的DSP+FPGA系统电源设计[J].电子设计应用,2007(10):107-109.
[4] Texas Instruments. AN-1603 LM274X ReferenceDesigns[EB/OL].