ARM+FPGA架构的北斗导航接收机电源管理设计

卢兰兰,马洪涛,王晓君

(河北科技大学信息科学与工程学院,石家庄050018)

ARM+FPGA架构的北斗导航接收机电源管理设计

卢兰兰,马洪涛,王晓君

(河北科技大学信息科学与工程学院,石家庄050018)

电源在导航接收机中起着极其重要的作用。在研究导航接收机工作原理的基础上,提出了一种基于ARM+FPGA架构的导航接收机的电源设计方案。该方案以ARM+FPGA的导航接收机的电源需求为基础,结合ARM Cortex A8 AM3354和FPGA Virtex 6 365T的供电特点和供电需求,设计出适合此导航接收机系统的电源方案。实践证明此方案是可行的,能够达到该导航接收机的各项电压指标,且测试结果在允许的误差范围之内。

电源设计;导航接收机;ARM;FPGA

引 言

继北斗定位系统成[1]为世界公认第三个成熟定位导航系统之后,导航产业[2-3]迸发出更加强大的活力,并广泛应用于建筑、军工、海洋、太空等领域,深刻影响和改变着人类的生产与生活。

无论是在导航系统设计[4]还是其他电子产品的设计中,电源都起着至关重要的作用。ARM处理器、FPGA (现场可编程门阵列)器件较为昂贵,如果电源设计[5]不合理,会造成严重的后果。比如说,电源供电不足,直接造成输出电流的不足,FPGA器件输出就与正常情况下的输出有所不同,会造成逻辑上的错误;更严重的将导致整个板子不能正常工作。本系统中的电源供电具有～低电压、大电流的特点,由于ARM核电压为1.1 V、FPGA核电压为1 V、ARM I/O电压为3.3 V、FPGA I/O电压为2.5 V,电流可以达到安培级别;设计中还需要考虑频率[6]对电源工作的影响等。基于这样的供电特点和供电需求,设计出适合此导航接收机系统的电源方案[7]。

1 基于ARM+FPGA架构的导航接收机电源设计方案

1.1 系统电源方案

导航接收机的电源系统具有宽电压输入、低电压输出、电压类型多样化的特点。所谓的宽电压输入,是指输入电压变化范围较大,为8～16 V。基于这样的供电特点,首先将输入电压经LM2576电源转换模块,将电压转换为5 V,再经LTC3616IUDD和LT3976EUDD电源转换芯片转换成ARM和FPGA需要的电压。对于FPGA这种对供电有着严格需求的器件来讲,必须增加一些过压保护措施。因为锂电池输入电压范围在8～16 V之间,且LM2576电源转换模块输入电压最高可达40 V,所以不需要再添加过压保护电路。

图1给出了整体电源系统框图。可以看出,北斗导航接收机系统需要的电压类型有1 V、1.1 V、3.3 V、2.5 V几种电压类型。其中FPGA核电压值是1 V,ARM核电压值是1.1 V,FPGA I/O电压值是3.3 V,ARM I/O电压值是2.5 V。输出电压类型多,且输出电压低,最低可以达到1 V。

图1 电源系统框图

1.2 电源转换芯片选择

FPGA是一种低电压、大电流、大功率的芯片,为了适应它的供电要求,且达到电压转换效率高的要求,选用了DC-DC的开关电源[8]芯片LTC3616IUDD和LT3976EUDD。开关电源转换芯片与传统电源[9-11]相比,具有转换效率高的特点。

锂电池输入电压经LM2576电源转换芯片将电压转换为5 V,解决了宽电压输入的需求。再经LTC3616IUDD电源转换芯片将电压分别转换成1 V和1.1 V,经LT3976EUDD电源转换芯片将电压分别转换为3.3 V和2.5 V,满足了电压类型多和低电压输出的需求。LM2576外围电路简单,应用成熟,转换效率高。LTC3616IUDD非常适合于固定低电压输入应用, LM2576电源转换模块将输入电压转换为5 V,符合LTC3616IUDD的输入要求。LT3976EUDD电源转换芯片转换效率高,且输出纹波低,可以低至16 m V。

1.3 过流保护和过热保护

为了符合FPGA的低电压、大电流的供电特点,要求必须有过压保护、过流保护、过热保护等一系列热保护电路,才能为后续供电提供可靠的保证。

LTC3616IUDD DC-DC电源转换芯片和LT3976EUDD DC-DC电源转换芯片内部带有过流保护和过热保护[12]功能。LTC3616IUDD电源转换芯片的过流保护由电流比较器、误差比较器等构成。当负载电流增大到一定数值时,将引起电流比较器跳闸并且关断输入电源开关,以实现过流保护的功能。误差比较器主要是进行一系列校准功能,直到平均电流和新的负载电流相匹配。LT3976EUDD电源转换芯片的过流保护原理和LTC3616IUDD电源转换芯片的过流保护原理类似,都是采用电流比较器和误差比较器实现过流保护和过热保护的功能。

1.4 上电顺序控制

由于FPGA有着严格的供电要求,其上电是有顺序的,先是内核电压VCCINT上电,再是VCCO上电。本设计中,VCCINT可以直接上电,没有加延迟;VCCO电压则是经过几十ms的延迟再启动,此延迟过程是通过一个电阻和电容并联去控制使能EN端,最终达到延迟的目的。系统上电后,先用万用表测试5 V、3.3 V、2.5 V、1 V、1.1 V电压是否正常,若正常,再插JTAG线进行程序的下载、调试。ARM也类似,先是核电压启动,核电压起来之后,外设根据需要配置相应的时钟就可以加电。

2 单元电路设计

2.1 LM2576电路设计

LM2576系列开关稳压电源具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力,且该芯片应用成熟,为导航接收机系统的稳定提供了有力的支持。LM2576电源转换芯片的转换效率最高可以达到89%,且待机功率小。图2是LM2576的相关电路设计。设计中LM2576具体应用电路中的每个参数都是根据实际情况计算出来的。电感L1的选择与LM2576芯片的输入输出电压、负载电流等数值有关。电路中的输入电容一般在100μF左右,二极管D1的额定电流值应大于最大负载电流的1.2倍,考虑到负载短路的情况,二极管的电流应大于LM2576的最大电流限制。考虑到以上情况和实际应用,选用IN5822肖特基二极管。

图2 LM2576转换电路设计

2.2 LTC3616IUDD电路设计

LTC系列电源转换芯片适合于散热较小的器件使用,FPGA和ARM内核电压较小,散热也较小,正好符合要求。经电源转换芯片转换后的电压里不免有一些谐波分量,经滤波后,就可以供FPGA和ARM核心电压供电。LTC3616IUDD电源转换芯片转换效率高,符合要求。

图3是LTC3616IUDD的相关电路设计,将5 V电压转换为1 V,其RUN端连接了一个电阻,起保护电路的作用,核电压无延迟,可以直接上电。

设计中L1、R3、R4值的大小和输出电压的大小、工作频率等数值有关,其他电阻、电感的参数一般情况下不需要改动。L1的计算公式:

式中,vout为输出电压,vin为输入电压,fsw为开关频率。R3、R4的阻值只要一个确定,另一个也就确定了,其关系式是R3=R4×(vout/0.6-1)

图3 LTC3616IUDD转换电路设计

2.3 LT3976EUDD电路设计

AM3354 I/O供电电压是3.3 V,FPGA Vitrtex-6 365T I/O供电电压为2.5 V。FPGA处理完底层信号后,将通过EMIF接口将信号传送给ARM,由于存在I/O供电电压不一致的问题,所以需要LT3976EUDD电源转换芯片将其分别转换为2.5 V和3.3 V。图4是LT3976EUDD电源转换芯片的相关电路设计。

图4 LT3976EUDD转换电路设计

LT3976EUDD电源转换芯片的延迟过程是通过一个电阻和电容并联去控制使能EN端,最终达到延迟的目的,延迟的时间长短由R1和C4的大小决定。

设计中L1、R4、R6值的大小和输出电压的大小、工作频率等数值有关,其他电阻、电感的参数一般情况下不需要改动。L1的计算公式:

式中vout为输出电压;vin是二极管击穿电压,一般取vin=0.5 V;fsw为开关频率,fsw的值和R2的值的大小有关,一旦R2的值确定了,fsw的值也就确定了。

R4、R6的取值关系式为:

3 测试结果

为验证本设计的正确性,将系统上电后进行测试。按照FPGA严格的上电顺序,先是内核电压VCCINT上电,再是VCCO上电。系统上电后,先用万用表测试5 V、3.3 V、2.5 V、1 V、1.1 V电压,若电压正常,再插JTAG线进行程序的下载、调试。实验表明,各路电源在输入电压从8～16 V变化时,输出稳定度[13]与电压偏差情况在芯片电压允许范围,各路电压均能正常工作。

结 语

本文提出了一种北斗导航接收机的电源设计[14]方案,且经多次实验测试,该电源设计准确无误,各路电源在输入电压从8～16 V变化时,输出稳定度与电压偏差情况在芯片电压允许范围,各电路均能正常工作。以输入电压12 V为例,实际测试结果,1 V、1.1 V、2.5 V、3.3 V输出电压的波纹最大峰峰值分别为20 m V、27 m V、33 m V、28 m V。以ARM输出电流为例,实际测试结果,ARM在正常模式下,输出电流的波纹[15]最大峰峰值分别为93 m A、95 m A、99 m A、96 m A、97 m A;待机模式下,输出电流的波纹最大峰峰值分别为90μA、98μA、96μA、94μA、95μA。直接连接基于FPGA +ARM的北斗接收机测试时,可以正常对FPGA与ARM的主芯片和I/O接口进行供电,导航接收机工作稳定,能够实时实现导航定位、测速、授时等功能。

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[4]谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京:电子工业出版社, 2009.

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[10]杜承启.国内外电源变换器的新发展[J].电源技术,2004 (4):257.

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[13]刘亚东.高频开关电源中的电磁干扰问题及抑制措施[J].信息技术,2008(9):117-120.

[14]王兆安,刘进军.电力电子技术[M].5版.北京:机械工业出版社,2013.

[15]张波,徐波.零压零流开关电源的研究与应用[J].电源技术应用,2000(11).

卢兰兰(在读研究生)、王晓君(教授),主要研究方向为卫星应用技术;马洪涛(副教授),主要研究方向为智能化仪器仪表、电力电子技术。

Power Management Design of Beidou Navigation Receiver Based on ARM+FPGA

Lu Lanlan,Ma Hongtao,Wang Xiaojun
(School of Information Science and Engineering,Hebei University of Science&Technology,Shijiazhuang 050018,China)

The power plays an important role in the navigation receiver.A power design scheme of navigation receiver which is based on ARM+FPGA is proposed after researching the principle of navigation receiver.The scheme satisfies the supply voltage characteristics and requirements.Combining the power supply and demand characteristics of ARM Cortex-A8 AM3354 and FPGA Virtex-6 365T,the power scheme for navigation receiver system is proposed.The experiment results prove that the scheme is available in practice,and it can achieve the power requirements of navigation receiver.In addition,the test results are within the allowable error range.

power design;navigation receiver;ARM;FPGA

TP334

:A

杨迪娜

2016-07-12)