星載高速數(shù)字電路電源芯片選型及電源完整性設(shè)計

滕樹鵬 李森 郭黎燁 彭飛 葉曦

（上海航天電子技術(shù)研究所/八院智能計算技術(shù)重點實驗室，上海，201109）

星載數(shù)字電路的高速化設(shè)計對電源完整性設(shè)計提出更高的需求，恰當(dāng)?shù)碾娫葱酒x擇有利于信號完整性設(shè)計優(yōu)化。在星載高速數(shù)字電路中，隨著信號傳輸速度的增加、芯片性能的增強(qiáng)，相應(yīng)地對供電提出以下要求：更低的電壓、更大的電流、需平滑更大的開關(guān)噪聲、低功耗。常用的電源芯片包括開關(guān)式點電源芯片和LDO（低壓差線型穩(wěn)壓器）型電源芯片。開關(guān)式點電源芯片具有高效率、輸出電流大的優(yōu)點，但同時也具有響應(yīng)速度相對較低、開關(guān)噪聲大等劣勢。LDO型電源芯片本身特性導(dǎo)致其輸入輸出電壓壓差越大、輸出電流越大，功耗越高，但其又具有響應(yīng)速度快，紋波小等優(yōu)點。因此在星載高速數(shù)字電路設(shè)計中對電源響應(yīng)要求極高的位置，如：DDR（雙倍數(shù)率動態(tài)隨機(jī)存儲器）的VTT（終端電壓）供電，或工作電流極小 （一般壓差小于3V電流小于1A）等位置一般優(yōu)選采用LDO型電源芯片；其他供電需求中開關(guān)式點電源芯片更為適用。本文將對分別對開關(guān)式點電源芯片 （以LTM4644為例）及LDO型電源芯片在宇航產(chǎn)品中設(shè)計中的電源完整性設(shè)計進(jìn)行分析。

1 開關(guān)式點電源芯片

1.1 功能與特性

在電源芯片選型過程中，考慮到宇航用電子類產(chǎn)品需要適應(yīng)空間環(huán)境的高輻射、真空環(huán)境散熱差、需長時間工作及無法維修的特點。宇航用開關(guān)式點電源應(yīng)具備以下功能及特性。

a）具有輸出過壓保護(hù)、輸出過流保護(hù)、短路保護(hù)等功能，并且在進(jìn)入保護(hù)模式后重新上電后可恢復(fù)正常工作。過壓保護(hù)及過流保護(hù)功能為常用電源芯片功能，均為保護(hù)后端電路設(shè)計，在供電后端器件異常情況下保護(hù)星上主電源不受影響。短路保護(hù)功能要求響應(yīng)短路保護(hù)時間小于10μs。在空間環(huán)境中，后端電子類集成電路 （含MOS電路）可能受單粒子閂鎖影響，導(dǎo)致集成電路中的MOS電路電源對地短路，電源芯片應(yīng)能夠及時響應(yīng)短路保護(hù)功能，避免單粒子閂鎖導(dǎo)致的短路引起的部分電路燒毀，重新上電后單粒子閂鎖狀態(tài)可解除。

b）電源芯片在工作輸出電流范圍內(nèi)，效率高、熱耗少?？臻g真空環(huán)境中散熱條件較差，電源芯片本身為電子產(chǎn)品中的較大熱源，而通常單機(jī)內(nèi)的溫度監(jiān)控點設(shè)置在非熱源位置，這樣當(dāng)電源芯片熱量累計過大時，若相應(yīng)電源不能緊急關(guān)斷，可能對電源芯片造成不可恢復(fù)的硬件損傷。因此電源芯片在工作電流范圍應(yīng)具有高效率特性，以提高產(chǎn)品的熱可靠性設(shè)計。

c）電源芯片額定電流與產(chǎn)品需求應(yīng)具備1倍以上余量。額定電流應(yīng)高于理論最大電流1倍以上是宇航產(chǎn)品的降額設(shè)計需求?？紤]電子產(chǎn)品在上電瞬間浪涌一般高于額定工作電流1.5倍，因此電源芯片額定電流應(yīng)具備1倍以上余量。

d）電源芯片可進(jìn)行軟啟動配置。在后端芯片時序準(zhǔn)許范圍內(nèi)，延長軟啟動時間可以有效降低上電瞬間的浪涌電流。一般情況下影響電子類產(chǎn)品壽命的關(guān)鍵因素為電路中的電容壽命，而電容壽命與電容的負(fù)載電壓及充放電能量成反比，因此降低上電浪涌可以有效延長產(chǎn)品壽命。

1.2 開關(guān)式點電源電路設(shè)計

LTM4644為Linear Technology公司生產(chǎn)的4路輸出DCDC電源芯片，單路輸出電流4A，具備過壓保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)及高溫保護(hù)特性。在電路的原理圖設(shè)計中應(yīng)注意：輸入電容設(shè)計、輸出電容設(shè)計、軟啟動設(shè)計、輸出電壓設(shè)計及時序設(shè)計。其中輸入電容、時序設(shè)計及輸出電壓依托系統(tǒng)設(shè)計，參考系統(tǒng)內(nèi)主要芯片及系統(tǒng)功能需求，此處不做詳細(xì)介紹。

1.2.1 輸出電容設(shè)計

在開關(guān)式點電源電路設(shè)計中，電源芯片輸出電容的主要功能為，降低開關(guān)電源的開關(guān)噪聲以及為后端負(fù)載儲能。在電源開關(guān)噪聲過大情況下，一般芯片若核電壓超過±5%、接口電壓超過±10%則會導(dǎo)致芯片工作異常，甚至完全不能啟動；若后端負(fù)載電路電流較大，并且為突發(fā)負(fù)載，則電容儲能不足可能導(dǎo)致輸出電壓瞬時降低或抖動，因此設(shè)計大容值儲能電容應(yīng)預(yù)留足夠余量，但過多過大的儲能電容又會占用較多PCB（印制電路板）布局資源。輸出電容設(shè)計均需根據(jù)實際情況分析，不同負(fù)載、不同需求甚至不同的PCB layout（印制板布局布線）都可能導(dǎo)致同一電源芯片的電路設(shè)計不一致，一般均需通過測試對原設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。

但在輸出電容的設(shè)計過程中通常有一些設(shè)計方法可以參考，以盡可能滿足使用需求。

a）一次電與二次電的壓降，若壓差過大，輸出電容需增大容值。

b）針對輸出負(fù)載工作的頻點，選擇相應(yīng)的濾波電容。通常大容值電容濾低頻干擾，小容值電容濾高頻干擾。通常采用的初始設(shè)計方式為大容值加小容值并聯(lián)，具體容值可參考芯片數(shù)據(jù)手冊，預(yù)留足夠調(diào)試電容位置。

c）盡量選用低ESR（寄生電阻）電容，且電容不要串聯(lián)。開關(guān)電源的濾波電容通過電容充放電及電容兩端電壓不可突變的特性實現(xiàn)輸出電源的開關(guān)噪聲過濾。若ESR過大則導(dǎo)致電容兩端電壓存在突變，會產(chǎn)生新的噪聲源。

d）輸出電容耐壓值盡量不小于電源的輸入電壓且高于輸出電壓的2倍。

1.2.2 軟啟動設(shè)計

電源芯片的軟啟動一般根據(jù)芯片手冊提供的公式計算，LTM4644的軟啟動時間計算公式如下：

公式 （1）中，tSS為軟啟動時長，單位為s；U=0.6V；CSS為軟啟動配置電容，單位為μF；I=2.5μA。一般tSS應(yīng)在滿足后端供電芯片時序需求的基礎(chǔ)上盡量延長，降低負(fù)載端及一次電源端的啟動浪涌。

1.3 測試和調(diào)試

在開關(guān)式點電源的設(shè)計中，對完成的電路進(jìn)行測試、調(diào)試是必不可少的一步，可以在測試中針對電源完整性需求，采用上面提到的優(yōu)化措施對電路進(jìn)行驗證及優(yōu)化。

1.3.1 電源完整性測試

分別為空載、滿載及動態(tài)負(fù)載情況下，針對輸入電壓在±10%波動情況下電源電路在常溫、高溫及低溫條件下輸出電壓情況進(jìn)行測試，測試結(jié)果若后端負(fù)載無特殊要求情況下一般輸出電壓波動范圍不應(yīng)該大于額定電壓的±10%。

1.3.2 電源可靠性測試

電源可靠性測試主要為驗證芯片的可靠性，一般在芯片選型確認(rèn)后無法更改，但此項測試可以作為整個產(chǎn)品設(shè)計的可靠性的量化指標(biāo)。一般測試項目主要為輸出過流保護(hù)點、短路保護(hù)點、短路保護(hù)恢復(fù)性、正向過沖及負(fù)向過沖。其中正負(fù)過沖為電源在啟動及關(guān)閉中發(fā)生的瞬時的輸出電壓超過設(shè)定電壓及小于0，沖測試波形如圖1所示。主要考慮部分芯片有供電電壓極限值，若超過指定電壓可能損傷芯片， Xilinx公司的Kintex-7系列芯片提出的供電電壓極限值范圍見表1。

圖1 正負(fù)過沖測試波形

表1 Xilinx公司的Kintex-7系列芯片提出的供電電壓極限值范圍

測試中應(yīng)遵循以下原則：①測試用示波器帶寬不應(yīng)過高，一般應(yīng)小于1GHz；②接口電壓的測試中示波器帶寬選擇應(yīng)為100MHz，內(nèi)核電壓的測試中示波器帶寬選擇應(yīng)為20MHz；③探頭測測試點應(yīng)該選擇在輸出電容的小容值電容兩端。

1.4 PCB設(shè)計

PCB設(shè)計也是開關(guān)式點電源的電源完整性設(shè)計需要注意的重要部分。在PCB設(shè)計中應(yīng)注意以下關(guān)鍵點。

a）輸入電容的排列應(yīng)該按照大容值電容遠(yuǎn)離電源芯片輸入引腳，小容值電容靠近電源芯片引腳的順序進(jìn)行排列，即電流依次流經(jīng)大電容及小電容再輸入芯片。

b）輸出電容的排列應(yīng)該按照小容值電容遠(yuǎn)離電源芯片輸出引腳，大容值電容靠近電源芯片引腳的順序進(jìn)行排列，即電流依次輸出芯片流經(jīng)大電容及小電容。

c）FB（電壓反饋）信號走線應(yīng)該盡量短，并且做加寬處理。同時在FB信號走線附近嚴(yán)禁走高速、高頻信號。FB走線一般不換層、不走內(nèi)層，必要時采用兩次換層。

d）輸入電容參考地、輸出電容參考地及電源芯片參考地應(yīng)該連在一起并且通過足夠數(shù)量及孔徑的過孔與本PCB地平面短接，各個地之間的走線禁止走細(xì)線。

e）電源輸入端、輸出端走線應(yīng)預(yù)留足夠線寬，以滿足設(shè)計電流通過。

2 LDO型電源選用與設(shè)計

LDO型電源芯片在工作時理論自身熱耗一般較高并且熱耗會隨著輸入輸出電壓壓差增加而增加，同時隨工作電流的增加而增加。因此在選用LDO型電源芯片時要注意選用芯片應(yīng)為金屬封裝，并且可大面積接地，以提供更好的散熱路徑；在選用LDO作為供電電源前需確認(rèn)需求電壓與輸入電壓壓差及穩(wěn)定工作電流，一般壓差超過5V、工作電流超過3A時不建議選用LDO型電源芯片，防止熱量過多累積。

針對宇航工作環(huán)境結(jié)合LDO工作原理，待選用的LDO電源型芯片還應(yīng)具備以下特點：①應(yīng)具備抗總劑量及單粒子指標(biāo)，具體指標(biāo)參照產(chǎn)品運行軌道，一般總劑量 （TID）≥50krad（Si），單粒子特性≥37MeV-cm2/mg；②應(yīng)內(nèi)置軟啟動及過流限制功能。

一般LDO型電源芯片內(nèi)部主要功能電路為三極管或場效應(yīng)管，此類元器件在空間環(huán)境中可能受單粒子效應(yīng)影響，導(dǎo)致三極管或場效應(yīng)管短路，使得輸出電壓等于輸入電壓或者輸入電源對地短路，因此在宇航產(chǎn)品中選用的LDO型電源芯片一般應(yīng)具備抗總劑量及單粒子指標(biāo)，避免單粒子效應(yīng)導(dǎo)致的供電異常。

LDO型電源芯片一般對外接口比較簡單，但應(yīng)當(dāng)注意的是由于LDO型電源響應(yīng)速度快，因此在高速電路設(shè)計中，尤其是被供電芯片具有高速開關(guān)特性時，LDO型電源的輸出端一般需要匹配大容值電容作為儲能電容。在輸出電容的選用上ESR也是需要注意的重要指標(biāo)，要嚴(yán)格按手冊指定選用，具有過高和過低的ESR的輸出電容會導(dǎo)致LDO電源輸出的電壓產(chǎn)生震蕩。

3 星載高速數(shù)字電路電源完整性分析

以上對星載高速數(shù)字電路的供電部分進(jìn)行了分析，在電源完整性設(shè)計中還有以下一些需要注意的地方。

a）芯片供電引腳的靠近引腳附件需擺放0.1μF～0.01μF電容，在高耗電芯片四周應(yīng)布局10μF～22μF電容。靠近引腳電容為過濾供電中可能存在的高頻干擾，四周大容值電容為儲能電容，防止芯片瞬時電流變化導(dǎo)致影響供電電平面的電壓穩(wěn)定。

b）不同相鄰電源平面間應(yīng)該預(yù)留耦合電容，可優(yōu)化整個PCB的EMI特性。

c）相同電壓的供電平面應(yīng)該盡量合并，避免存在多個相同電壓的供電平面。

d）在PCB設(shè)計中，電源層應(yīng)該做相應(yīng)內(nèi)縮，如圖2所示。

圖2 電源平面內(nèi)縮

e）電源層走線寬度必須確保足夠?qū)挾取?/p>

f）若電路設(shè)計中同時存在模擬供電及數(shù)字供電，若采用的是同一電源需使用磁珠對數(shù)字電及模擬電、數(shù)字地及模擬地進(jìn)行隔離，如圖3所示，其中K7_MGT_AVCC為模擬電，K7_VCC_1V為數(shù)字電。

g）機(jī)殼地與電氣地應(yīng)該隔離，如圖4所示。

圖3 數(shù)字電源層與模擬電源層的分割

圖4 機(jī)殼地與電氣地隔離參考圖