基于TPS6211X的FPGA高效电源设计

2万 · 2014-7-6 23:54

　l 前言

　　随着ARM微处理器技术和现场可编程逻辑阵列技术(FPGA)的发展及其在手持式设备中的应用，手持式设备低功耗、微型化的要求越来越高。作为必然趋势，节能将是未来手持式电子设备的必然特性，但是高效率和节能是一对矛盾，虽然作为手持设备能量来源的锂电池的容量越来越大，但随着功能的完善，手持设备的总功耗也在不断增加，而锂电池容量的能量体积比是有限的，这就要求不断提高电源器件的转换效率和改善电源管理方案。

　　在手持设备中，为了获得较高的总功率，很多系统的电池电压都在7 V之上，如7．2 V，9 V，12 V等。基于此，德州仪器(TI）推出了支持3．1～17 V输入电压范围的1．5 A(典型值)DC／DC降压转换器系列器件TPS6211X。该小型集成电路(IC)的电源转换效率最高可达95％，能够显著延长依靠2～3节锂电池供电的手持式测试仪表及其他高端手持式设备的电池使用寿命。

　　2 TPS6211X器件简介

　　TPS6211X系列器件是包含TPS6211，TPS62111，TPS62112三款DC／DC型电源器件，其中TPS62111和TPS62112分别为固定输出3．3 V和5 V，TPS62110为可调输出，输出电压范围是1．2～16 V，其特性可满足绝大多数手持式设备的电源需求。

　　2．1 引脚功能说明

　　TPS6211X标准封装为QFN-16，尺寸为4 mm×4 mm，图1所示为引脚排列。其引脚功能描述如表1所示。

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　　2．2 性能特点

　　该系列器件属于低纹波电压噪声的同步降压型转换器，开关频率典型值为1 MHz，内置FET，不需要额外的MOSFET和稳压管，降低了设计难度，允许设计人员利用更小的外部元件，不必担心组件效能或转换效率受到影响，既可节省板级空间，还能缩短系统设计时间。此外，TPS6211X可与0．8～1．4 MHz的外部频率讯号同步，设计灵活。

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　　图2a,b是TPS62111和TPs62112在多种输人电压下，分别工作在PFM(脉冲频率调节)模式和PWM(脉冲幅度调节)模式下的电流电压转换效率曲线图。从图2可以看到，在PFM时，即工作在轻负载时，转换效率相当高，均能达到90％；而当输入电压、内部参数及外接负载变化时，其工作在PWM模式，转换效率可达85％以上，这对于从7 V以上电压值直接转换到所需电压值是非常有用的特性。图2c为在不同输入电压下，输出端电流的最大值。当输入电压高于5 V时,TPS6211X系列的最大输出电流可达1．8A，将其用于驱动要求电压精度较高和电流幅值较大的FPGA器件是很合适的。

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　　3 应用和实现

　　与LDO(线性稳压)型电源器件不同，TPS6211X系列器件是DC／DC(开关型)型的电压转换器。开发手持式测试仪表中，ARM和FPGA是两个主要器件，ARM作为主控器件，承载操作系统，负责全局任务的调度和电源管理，FPGA作为主要的运算单元，是消耗电能的主要模块，因此做好FPGA模块的电源管理可明显改善系统性能。

　　3．1 FPGA器件简介及其电源配置分析

　　在研制的手持式测试仪中，采用Cyclone III EP3C40_780的FPGA器件。Cyclone III FPGA是Altera Cyclone系列的第三代产品。CycloneIII FPGA系列前所未有地同时实现了低功耗、低成本和高性能，进一步扩展了FPGA在成本敏感领域中的应用。

　　FPGA器件内核电压和I／O，电压的上电时序应遵循一定的顺序，即内核上电时间不迟于I／O上电时间。虽然Cy-cloneIII FPGA系列器件对此无特殊要求，但遵循一定的上电条件是有益的，例Altera公司的Cyclone III必须让VC-CINT电源在3～9 ms(快速上电模式)或50～200 ms(标准上电模式)内上电，而TPS6211X系列器件的典型的启动时间为1 ms(1 MHz)，完全满足此要求。

　　在所有代码编译完成之后，利用Quartus II开发平台计算其内部资源的使用情况并估算功耗：1．2 V／3 A(内核电压和PLL所需数字电压)，2．5 V／1 A(PLL所需模拟电压)，3．3V／1 A(I／O电压)。

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　　3．2 方案的选择

　　在手持式测试仪中，选用7．2 V锂电池供电，这一属性是选择TPS6211X系列电源器件的主要原因。有两种电源管理方案可供选择，如表2所示。

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　　3．3 电路实现

　　根据选择的方案2以及TPS6211x的数据手册，电路连接如图3和图4所示。两个电路中的电感、电容、电阻均采用贴片型封装，可最大程度减少PCB面积。电感的直流电阻越小越好(几十毫欧)，饱和电流须高于最大输出电流，由此选择电源型电感，以减少热损耗；输入端电容可采用无极性的陶瓷电容，输出端电容应采用极性钽电容，电容的耐压值最好在16 V之上，可保证输出电流的单向性和较好的纹波特性。图3中的器件引脚FB是输出电压反馈端，以调整输出电压精度，其外接电阻分压网络中的R3和R4的阻值精度应在5％以上才能得到合适精度的输出电压，R3、R4的关系如下：

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　　式中：VFB是1．153 V，只要给定R4和所需的输出电压Vo就可确定R3。此外，为了器件更好地工作，R3和R4之和应该处在400 kΩ-1 MΩ之间。由TPS62110得到2．5 V的电路与图3相似，其反馈端电阻网络的阻值选择按照式(1)可得到。由TPS62112得到5 V的电路与图4相似，不再重复。

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　　需要注意：系统中电源器件的输出电流较大，所以其散热端PowerPAD要与PCB的铜板有良好接触。当系统某一电压需要较大的驱动电流时，可以采用并联的方法满足要求。在研制的手持式测试仪中FPGA需要电源为1．2 V／3 A,2．5V／1 A，3．3 V／1 A，于是可以将两路TPS62110并连。得到最大3．6 A的驱动电流，实践证明是完全可行的。这种做法不仅可满足FPGA器件的需求．还能为系统的其他模块提供一部分支持。

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　　4 结语

　　虽然作为手持设备能量来源的锂电池的容量越来越大，但随着功能的完善，手持设备的总功耗也在不断增加，而锂电池容量的能量体积比是有限的，这就要求不断提高电源器件的转换效率和改善电源管理方案。这里的TPS6211X电源转换器件在系统里稳定，能够为FPGA器件提供良好的电压支持，达到了预期的目标。