高速模擬數(shù)據(jù)源系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)

吳 凱,張 磊,2*,佟首峰,2,李曉龍

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué)空間光電技術(shù)研究所,長(zhǎng)春 130022;2.長(zhǎng)春理工大學(xué)空地激光通信技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130022;3.長(zhǎng)春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130022)

高速模擬數(shù)據(jù)源系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)

吳 凱1,張 磊1,2*,佟首峰1,2,李曉龍3

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué)空間光電技術(shù)研究所,長(zhǎng)春 130022;2.長(zhǎng)春理工大學(xué)空地激光通信技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130022;3.長(zhǎng)春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130022)

針對(duì)星上高速載荷模擬數(shù)據(jù)源系統(tǒng)的需求,采用三輸出10 A降壓型微型模塊穩(wěn)壓器LTM4633設(shè)計(jì)了一套開(kāi)關(guān)電源供電模塊,產(chǎn)生11種輸出電壓,輸出電流高達(dá)20 A,并且利用LTspice IV仿真軟件對(duì)電源電路進(jìn)行仿真分析,保證FPGA邏輯電路和收發(fā)器GTX的上電順序符合設(shè)計(jì)要求,同時(shí)改善輸入和輸出濾波來(lái)降低輸出電壓的紋波噪聲,紋波范圍12 mV～50 mV,實(shí)驗(yàn)測(cè)試輸出電壓與仿真一致,為整個(gè)模擬源系統(tǒng)的正常工作提供了保障。

開(kāi)關(guān)電源;LTM4633;LTspice IV;FPGA;上電順序

隨著現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA的快速發(fā)展,FPGA向著集成度更高,速度更快,功能更強(qiáng),功耗更大,供電系統(tǒng)更復(fù)雜的方向發(fā)展[1-2],FPGA供電要求由原來(lái)的1種～2種電源(Kintex)供電向十幾種電源(Kintex-7)供電發(fā)展,并且這么多種電源中,對(duì)電源加電順序也有一定的要求[3],傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不再使用。在眾多電源芯片生產(chǎn)廠家中,凌力爾特公司的電源模塊具有紋波噪聲小,輸出功率大,單片電源輸出路數(shù)多等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)推出功能強(qiáng)大的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)及仿真軟件Ltspice IV,成為眾多電路設(shè)計(jì)者的選擇[4-5]。本文采用4片穩(wěn)壓器芯片LTM4633為基于FPGA的模擬數(shù)據(jù)源系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種12 V轉(zhuǎn)1 V、1.2 V、1.5 V、1.8 V、3.3 V、5.5 V等輸出電壓的開(kāi)關(guān)電源模塊。

1 模擬源系統(tǒng)電源需求

為了滿足星間激光通信在地面上的演示試驗(yàn)需求,研究并設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的高速載荷智能化數(shù)據(jù)模擬源,系統(tǒng)框圖如圖1所示。模擬源的主要功能是模擬星上有效載荷的數(shù)據(jù)輸入與輸出,既要將多路視頻、音頻信號(hào)復(fù)用成一路高速串行數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)光調(diào)制發(fā)送出去,又要實(shí)現(xiàn)高速偽隨機(jī)序列的傳輸用于誤碼率測(cè)試[6]。同時(shí)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解復(fù)用,還原出音視頻信號(hào)。本文主要討論模擬源系統(tǒng)的電源模塊設(shè)計(jì)。

圖1 模擬源系統(tǒng)框圖

1.1 FPGA主芯片的供電

FPGA是高度可配置的邏輯器件,可以在它周?chē)胖貌煌慕M件來(lái)完成最終系統(tǒng)設(shè)計(jì)。雖然會(huì)有各式各樣的應(yīng)用系統(tǒng),但是所有設(shè)計(jì)的一個(gè)共同特點(diǎn)就是它們?nèi)夹枰娫?。根?jù)應(yīng)用的不同,主輸入電源可以采用背板電源、隔離電源、非隔離電源,甚至是電池供電的方式。這些主輸入通常生成一個(gè)中間DC電壓來(lái)為FPGA的主電壓軌供電。這些中間電壓通常為5 V或12 V的DC電壓。

本設(shè)計(jì)中選用Xilinx公司的Kintex-7系列FPGA芯片XC7K325T-2FFG900I,該芯片一共需要8種電源,內(nèi)核電壓VCCINT(1.0 V),Block RAM供電電源VCCBRAM(1.0 V),輔助供電電壓VCCAUX(1.8 V),輔助IO供電電壓VCCAUX_IO(1.8 V),IO電源VCCO(1.2 V、1.8 V,2.5 V或3.3 V)[3],本設(shè)計(jì)中IO供電使用3.3 V,高速收發(fā)模塊GTX的QPLL模擬供電電源VMGTAVCC(1.0 V),高速收發(fā)模塊GTX的發(fā)送、接收終端供電電源VMGTAVTT(1.2 V),高速收發(fā)模塊GTX的QPLL輔助模擬供電電源VMGTVCCAUX(1.8 V),高速收發(fā)模塊GTX的電阻校準(zhǔn)電路模擬供電電源VMGTAVTTRCAL(1.2 V),此電源可與VMGTAVTT共用同一個(gè)電源,上述8種電源在上電瞬間或工作過(guò)程中需要的電流有可能會(huì)比較大,因此,每種電源都由電源芯片獨(dú)立提供。上述8種電源在上電順序上還有一定的要求,官方建議邏輯電路的加電順序?yàn)閂CCINT、VCCBRAM、VCCAUX、VCCAUX_IO和VCCO。收發(fā)器的加電順序?yàn)閂CCINT、VMGTAVCC、VMGTAVTT和VMGTVCCAUX。由于有數(shù)個(gè)電源軌為FPGA供電,上面推薦的電源序列在啟動(dòng)時(shí)汲取最小電流,這反過(guò)來(lái)防止了對(duì)器件的損壞。表1列出了FPGA的供電要求。

表1 Kintex 7 FPGA電源要求

在FPGA電源設(shè)計(jì)中,不同電源軌會(huì)有不同的要求。內(nèi)核電源軌通常需要在線路、負(fù)載和溫度范圍內(nèi)保持更加嚴(yán)格的精度。收發(fā)器電源軌對(duì)于噪聲更加敏感,并且需要將它們的輸出保持在特定的噪聲閥值以下。還需注意的是,某些具有共模電壓的電源軌可組合在一起,并且可以用一個(gè)鐵氧體磁珠進(jìn)行隔離,以實(shí)現(xiàn)濾波或作為一個(gè)負(fù)載開(kāi)關(guān)。

1.2 外圍元件的供電

系統(tǒng)中除了FPGA的供電,主要外圍芯片的工作電壓同樣要考慮。表2列出了系統(tǒng)中主要外圍芯片的工作電壓。

表2 主要外圍芯片的工作電壓

2 電路設(shè)計(jì)

在明確了FPGA及系統(tǒng)的電源要求后,開(kāi)始進(jìn)行器件選型。一般有3種方案供選擇:低壓降線性穩(wěn)壓器(LDO)、開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)和集成模塊,它們都具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)[7-8]。例如,由于其簡(jiǎn)單性和低輸出噪聲,LDO是某些較低電流FPGA電源軌的理想選擇。而LDO的缺點(diǎn)在于效率不高,并且在較高電流時(shí),通過(guò)導(dǎo)通晶體管大量散熱。它們通常適用于功率較低、要求低噪聲的應(yīng)用。當(dāng)需要的電流值大于2安培,并且效率更為重要的話,設(shè)計(jì)人員可以選擇開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)。這些器件在單相位配置中的效率可以達(dá)到90%以上,并且提供高達(dá)30 A的電流。與LDO相比,它們的設(shè)計(jì)工作量更大,并且在較輕負(fù)載時(shí)的效率不太高,不過(guò)它們更加靈活,并且在較高電流電平時(shí)的效率較高[9-11]。

本設(shè)計(jì)需要高電流輸出,采用開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)方案,選用的電源模塊為凌力爾特的最新產(chǎn)品LTM4633,輸入電壓范圍為4.7 V～16 V,輸出3路電源,每個(gè)通道輸出電流可高達(dá)10 A,第1、2通道輸出電壓范圍為0.8 V～1.8 V,第3通道輸出電壓范圍為0.8 V～5.5 V[12]。該芯片集成了散熱器以增強(qiáng)散熱能力,通道1、通道2可以并聯(lián),以支持高達(dá)20 A電流。

由于VCCINT需要的電流較大,需要LTM4633通道1和通道2并聯(lián),以達(dá)到輸出電流20 A的目的,由于系統(tǒng)中還用到了5.5 V,1.5 V,整個(gè)系統(tǒng)使用了4片LTM4633為FPGA及系統(tǒng)其他部分提供電源。通過(guò)RUN管腳利用RC延時(shí)電路來(lái)控制其上電順序,LTM4633的輸入電壓為12 V。電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

2.1 RC延時(shí)電路

RC延時(shí)電路的工作原理是系統(tǒng)上電后利用對(duì)電容的充電來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí)的,設(shè)計(jì)中保證電阻R不變,通過(guò)改變電容的大小來(lái)達(dá)到不同的延時(shí)時(shí)間,延時(shí)時(shí)間的計(jì)算公式:

(1)

式中:電阻R和電容C串聯(lián),VIN是輸入電壓,VRun是電容兩端要達(dá)到的電壓來(lái)啟動(dòng)RUN。表3列出了在R=20kΩ下改變電容C的大小來(lái)控制電源上電順序。

表3 在R=20 kΩ下電容C來(lái)控制電源上電順序

2.2 輸出電壓控制

電源芯片LTM4633是利用PWM調(diào)節(jié)輸出穩(wěn)定電壓的,內(nèi)部有一個(gè)60.4 kΩ的電阻連接著VOUT和VFB引腳,通過(guò)在VFB和地之間加一外部反饋電阻就可以控制輸出電壓的大小。當(dāng)芯片無(wú)外接反饋電阻(VFB開(kāi)路),默認(rèn)輸出電壓0.8 V。反饋大阻RFB大小與輸出電壓VOUT的關(guān)系[10]:

(2)

(3)

表4列出了典型VOUT與RFB的對(duì)應(yīng)值。

表4 典型VOUT與RFB的對(duì)應(yīng)關(guān)系

為了增大輸出電流,有時(shí)需要把通道1和通道2并聯(lián)(RUN1與RUN2,VFB1與VFB2,TK/SS1與TK/SS2皆并聯(lián)),此時(shí)反饋電阻VFB的計(jì)算公式:

(4)

圖3 電源仿真波形

3 仿真及分析

在LTspice IV中對(duì)模擬源系統(tǒng)的整個(gè)電源模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真,仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出,不同電源電壓的加電順序滿足設(shè)計(jì)要求,電源輸出電壓紋波噪聲小。

電路的輸入為12 V直流電源,輸入濾波電容為150 μF,用于減少輸入電壓紋波;輸入旁路電容為10 μF,有效去除了輸入電壓的高頻分量。輸出濾波由470 μF和150μF電解電容及10μF電容構(gòu)成。在FPGA邏輯電路上電過(guò)程中,不同電壓軌VCCINT、VCCBRAM、VCCAUX、VCCAUX_IO和VCCO的穩(wěn)定供電時(shí)間依次為0.34 ms、0.96 ms、1.28 ms、1.59 ms、1.96 ms;在高速收發(fā)器上電過(guò)程中,VCCINT、VMGTAVCC、VMGTAVTT和VMGTVCCAUX的穩(wěn)定供電時(shí)間依次為0.34 ms、0.96 ms、1.28 ms、1.84 ms,都與1.1節(jié)中要求的上電順序一致。

4 PCB設(shè)計(jì)

模擬源系統(tǒng)板的PCB設(shè)計(jì)采用16層板設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行整體布局,布局時(shí)要考慮PCB的形狀和尺寸。通常,電路板的最佳形狀為矩形,PCB尺寸過(guò)大時(shí),印制線條長(zhǎng),阻抗增加,抗噪聲能力下降,成本也增加;而PCB尺寸過(guò)小時(shí),散熱不好,且鄰近線條易受干擾[13-14]。由于設(shè)計(jì)的PCB板上有由4片LTM4633組成系統(tǒng)的供電單元,根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)尺寸為233.0 mm×160.0 mm。在電源電路設(shè)計(jì)仿真成功的前提下,利用Cadence設(shè)計(jì)出PCB電路板,圖4所示為模擬源系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)圖。

圖4 模擬源系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)圖

圖5 示波器測(cè)試波形

5 電路板測(cè)試

在模擬源系統(tǒng)上電瞬間,使用Tektronix數(shù)字熒光示波器DPO5104檢測(cè)出電源波形,如圖5所示,由于示波器只能同時(shí)采集4路信號(hào),所以FPGA邏輯電路少了VCCO的波形,其他電壓軌波形測(cè)試結(jié)果與仿真一致。但從測(cè)試波形看出,內(nèi)核電壓VCCINT的輸出紋波較大,造成這一結(jié)果的原因可能有兩個(gè):①由于內(nèi)核電壓要求輸出電流高達(dá)20 A,設(shè)計(jì)時(shí)把LTM4633的兩路輸出并聯(lián);②輸入輸出濾波應(yīng)特殊設(shè)計(jì),增加濾波電容和旁路電容來(lái)增強(qiáng)濾波效果。在以后電源設(shè)計(jì)中這一點(diǎn)需要認(rèn)真考慮。

6 結(jié)論

本文詳細(xì)闡述了基于FPGA高速載荷模擬數(shù)據(jù)源系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)、仿真和實(shí)現(xiàn),利用LTspice IV對(duì)電源電路進(jìn)行了仿真,結(jié)果達(dá)到預(yù)想的要求。經(jīng)實(shí)際電路板測(cè)試,電源各項(xiàng)指標(biāo)均符合系統(tǒng)要求,滿足系統(tǒng)供電需求,現(xiàn)已在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證。

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Design of Power Supply for High-Speed Simulation Data Source System

WUKai1,ZHANGLei1,2*,TONGShoufeng1,2,LIXiaolong3

(1.Institute of Space Optoelectronic Technology,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China;2.Defence Key Subject Laboratory of Aero and Ground Laser Communication Technology,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China;3.School of Electronics and Information Engineering,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China)

For the satellite high-speed simulation data source system,a switching power-supply system of using three-output step-down 10 A uModule regulator LTM4633 is designed. The system can produce 11 kinds of output voltage,output current up to 20 A. The simulation software LTspiceIV is used to analyse power circuit for ensuring FPGA logic sequence and transceiver sequence to meet the design requirements,while improving the input filter and output filter to reduce the ripple noise of voltage,ripple range is 12 mV～50 mV. The experimental test is basically the same as simulation.It provides a guarantee for the entire system to work properly.

switching power-supply;LTM4633;LTspice IV;FPGA;power-up sequence

2016-04-01 修改日期:2016-05-02

C:1210

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.019

TN609

A

1005-9490(2017)02-0356-05