多核DSP TMS320C6678的电源设计

刘文政

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)



多核DSP TMS320C6678的电源设计

刘文政

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

摘要：随着技术的发展，多核数字信号处理器(DSP)的应用越来越普及。多核DSP性能指标的增加，对电源供应提出了更高的要求，需要对电源做出精心的设计。针对TI公司发布的TMS320C6678 DSP设计了一种有效的电源方案。该方案在仿真软件中符合DSP供电要求，且已经在实际的电路板设计中得到了有效的验证。

关键词：多核信号处理器；电源设计;仿真

0引言

TMS320C6678是一款基于KeyStone架构的数字信号处理器(DSP)，芯片内有8个内核，工作速度可达10 GHz。其供电电源种类多，功耗大，并且需要严格的上电时序，同时需要考虑电路板密度高的问题，所以不仅要选择面积小、满足功耗要求的电源芯片，还要考虑到对时序的控制。本设计中通过现场可编程门阵列(FPGA)芯片XC3S200AN对电源使能管脚进行加电控制，设计出满足要求的上电时序。

1电源硬件电路设计

TMS320C6678芯片涉及到的电源种类较多，整理如表1所示。

本次设计中电路板使用12 V电源进行供电，DSP部分的电源电压产生流程图如图1所示。

图1　DSP电源电压产生流程图

1.1　CVDD的设计

CVDD是TMS320C6678中最为关键的电源。本次设计中，选择TPS56221为CVDD供电。TPS56221是一款工作电源电压在 4.5 V 与 14 V 之间的高效率大电流同步降压转换器，该器件可在高达 15 A 的负载下产生低至 0.6 V 的输出电压，可以满足内核电压电流需求很大的要求。这款电源芯片的误差精度为 1% 的 600 mV 参考电压，完全满足TMS320C6455高精度的电压需求[1]，并且采用热增强型 22 引脚 PQFN (DQP) PowerPAD 封装，集成度高，占用面积小，且散热效果很不错。

表1　TMS320C6678的电压类型

图2是TPS56221的原理图，根据推荐的电阻值计算，该图输出CVDD为1.0 V。而TMS320C6678的核压动态为0.9～1.1 V，从芯片的功耗、寿命及稳定性考虑，TI推荐使用SmartReflex供电技术。SmartReflex 技术是由一系列智能和自适应硬件与软件技术组成的，可根据设备活动、操作模式和温度来动态控制电压、频率和功率[2]。如果使用固定电压供电，当电压低于SmartReflex 要求的电压时，芯片不一定能正常工作。当电压高于CVDD额定电压时，不仅芯片的功耗可能会急剧上升，也不排除芯片可能出现不可预知的问题。所以本设计采用一款用于控制直流/直流 (DC/DC) 转换器输出电压的精密数字可编程器件LM10011芯片，控制CVDD在0.9～1.1 V浮动，延长芯片寿命。LM10011 输出的直流电流与 6 位或 4 位输入字成正比。通过将 IDAC_OUT 引脚连接至稳压器的反馈节点，可以将稳压器输出电压调整为用户设置的范围和分辨率。随着输入字递增计数，根据转换器中反馈电阻的值适当调高输出电压。

图2　TPS56221的原理图设计

图3为LM10011原理图，它通过4路VID通道与TMS320C6678相连，随时监控其状态，通过IDCA及时调整TPS56221的电压。

图3　LM10011原理设计

1.2　CVDD1的设计

CVDD1的值固定在1 V，本次设计选择了ISL8225。ISL8225有2路15 A输出可单独使用，也可结合在一起提供30 A的电流。该器件提供100 W输出功率，但是在印刷电路板上只占17 mm2的面积，且拥有卓越的效率和低热阻特性。电路板中选择ISL8225还有另一个原因是15 A的电流已经满足CVDD1的需求，另外一路可继续供电路板中其他电源使用，节省了印制板空间。ISL8225原理设计如图4所示，其中VCC1V0为CVDD1，而V1P0供电路板其他芯片使用。

图4　ISL8225原理设计

VDDT1和VDDT2由CVDD1经过直通滤波器NFM18C222R1C3转换得到。

1.3　DVDD15和 DVDD18的设计

DVDD15和DVDD18由功能齐全的17 V、6 A 同步降压转换器TPS54622转换得到。该器件采用散热增强型3.5 mm×3.5 mm四方扁平无引线 (QFN) 封装3，效率及集成度高，针对小型设计进行了优化。通过电流模式控制减少组件数量，并通过选择高开关频率缩小电感器封装尺寸来进一步节省空间。其原理设计如图5。

图5　TPS54622原理设计图

图5中:

VOUT=VREF·(R1+R2)/R2

(1)

式中:VREF=0.6 V。

根据此公式，可以算出1.5 V和1.8 V时R1与R2的比值，选择合适的电阻即可得到想要的电压[3]。

VDDR1,VDDR2,VDDR3,VDDR4由DVDD15经过直通滤波器NFM18C222R1C3转换得到。VREFSSTL由DVDD15经过TPS51200芯片产生。AVDDA1,AVDDA2,AVDDA3由DVDD18经过直通滤波器NFM18C222R1C3转换得到。

2DSP电源的时序设计

本次设计将各类电源的使能管脚均接入FPGA芯片XC3S200AN，通过控制电源使能管脚，来控制DSP的加电顺序。整板加电顺序设计如图6所示。

图6　电路板整板的加电时序图

3电源仿真结果

在本次电路板设计过程中，通过 HyperLynxPI PowerScope软件对电源部分进行仿真，根据仿真结果不断调整电路板上电源的位置以及铜皮的设计，最终仿真达到了比较稳定的电源输出。

DSP的2种主要电源CVDD和CVDD1的仿真结果如图7、图8所示。

图7　CVDD电源仿真图

仿真结果中，在整板CVDD铜皮上最大掉电为21.5 mV，CVDD1铜皮上最大掉电为43.8 mV，可见CVDD和CVDD1的电源设计还是比较稳定的。

4结束语

本文针对TMS320C6678芯片的特点，选择了满足其电源需求的几种电源芯片，设计出了一种实用的电源，输出了稳定的电压，并通过编程对时序进行了控制。该设计已在工程上进行了实现，希望对读者有一定的借鉴意义。

参考文献

[1]Texas Instrument Corp.TMS320C6678 Data Sheet[EB/OL].http://WWW.ti.com/producttm320c 6678,2014-12-15.

[2]Texas Instrument Corp.TMS320C6678 Multicore Fixed and Floating-point Digital Signal Processor Data Manual[EB/OL].http://WWW.ti.com/product,2014-12-15.

[3]吴敏杰,冯起,袁乃昌.TMS320C6455 DSP的电源设计[J].电子设计工程,2012,20(11):128-131.

Power Design of Multi-core DSP TMS320C6678

LIU Wen-zheng

(The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001，China)

Abstract:With the development of technology,application of multi-core digital signal processor (DSP) has become more and more popular.With the increment of performance indexes,multi-core DSP puts forward higher demands to power supply,so aborative design for power supply is needed.This paper designs a kind of effective power program for TMS320C6678 released by TI Co.The program is consistent with the requirements of DSP power in simulation software,and is effectively verified in actual circuit board design.

Key words:multi-core digital signal processsor;power supply design;simulation

收稿日期:2015-07-23

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.05.025

中图分类号：TP331

文献标识码：B

文章编号：CN32-1413(2015)05-0113-05