基于TPS54350的紅外熱像儀電源設(shè)計(jì)

紅外熱像儀是一種利用紅外探測(cè)器將看不見的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見圖像的被動(dòng)成像儀器，其對(duì)紅外圖像實(shí)時(shí)處理的特點(diǎn)要求配套DSP有很高的處理速度。而且，紅外設(shè)備熱敏性高，易受溫度等環(huán)境因素的影響，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合需要不同的處理方法。因此，一個(gè)穩(wěn)定而可靠的電源系統(tǒng)是至關(guān)重要的。本系統(tǒng)采用了TMS320DM6437來實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)，可根據(jù)環(huán)境的變化而采用不同的算法和參數(shù)。

根據(jù)TMS320DM6437的數(shù)據(jù)手冊(cè)，其需要VCORE (1.2V)、VDDR(1.8V)和VI/O(3.3V)三種電源，內(nèi)核電源的最大電流為597mA，而I/O電源的最大工作電流是25mA。另外，還需考慮上電順序。同時(shí)，熱像儀的調(diào)焦電機(jī)需12V電源，其他IC選用3.3V器件，因此，整個(gè)系統(tǒng)需12V，3.3V，1.8V及1.2V四種電壓。
  
電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)
TPS54350是具有內(nèi)部MOSFET的高效 DC/DC轉(zhuǎn)換器，連續(xù)輸出電流為3 A時(shí)，支持輸入電壓范圍為4.5～20V，可使設(shè)計(jì)人員直接通過中壓總線(而非依賴額外的低電壓總線)為DSP、FPGA和微處理器供電。TPS54350構(gòu)成的DC/DC轉(zhuǎn)換器效率高達(dá)90％以上，非常適用于低功耗的液晶顯示屏、監(jiān)視器、液晶電視機(jī)、硬盤驅(qū)動(dòng)器、視頻圖像卡以及9V或12V墻式適配器的負(fù)載穩(wěn)壓裝置。TPS54350的輸出電壓可調(diào)低至0.891V（精確度為1%）；PWM 頻率固定為250kHz、500kHz或250～700kHz的可調(diào)節(jié)范圍，還具有完善的保護(hù)功能。因此，TPS54350符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

    
1 TPS54350引腳功能
VIN：電壓輸入引腳，范圍為4.5～20V，必須旁路連接一個(gè)低等效串聯(lián)電阻(ESR)的10μF陶瓷電容器。 

 
UVLO：欠壓閉鎖輸出。 

PWRGD：開漏輸出。該引腳為低電平時(shí)，表示輸出低于期望的輸出電壓值。 

 
RT：頻率設(shè)置引腳。在RT引腳與模擬地（AGND）之間接一個(gè)電阻器來設(shè)置轉(zhuǎn)換頻率。將RT引腳與地連接或是懸空，可以來得到一個(gè)內(nèi)部的備選頻率。 

SYNC：雙向I/O同步引腳，當(dāng)RT引腳懸空或置低時(shí)，SYNC為輸出；當(dāng)它與一個(gè)下降沿信號(hào)連接時(shí)，亦可作為一個(gè)輸入端口來同步系統(tǒng)時(shí)鐘。

 
ENA：使能引腳，低于0.5V時(shí)，芯片停止工作；懸空時(shí)被使能。 

COMP：誤差放大器輸出。

VSENSE：誤差放大器轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，基準(zhǔn)電壓值。

AGND：模擬地，內(nèi)部與感應(yīng)模擬地電路連接。與PGND和POWERPAD連接。 

PGND：電源地，與AGND和POWERPAD連接。

 
VBIAS：內(nèi)部8.0V偏置電壓，引腳要接一個(gè)0.1μF的陶瓷電容。 

 
PH：相位，與外部LC濾波器連接；

 
BOOT：在BOOT引腳與PH引腳之間連接一個(gè)0.1μF的陶瓷電容。

2 電路分析
① 輸出電壓可調(diào)
TPS54350的輸出電壓是可調(diào)的，如圖1所示，通過改變電阻R2 的值來得到期望的輸出電壓值。R2的計(jì)算公式為：

 
R2=（R1×0.891）/(V0-0.891)  (1)

圖1中的輸入電壓為12V，為得到3.3V的輸出電壓，將R1取一定值1kΩ，此時(shí)根據(jù)公式（1）計(jì)算可得，R2＝374Ω。

圖1  12V轉(zhuǎn)3.3V/1.8V典型電路

[!--empirenews.page--]表1為當(dāng)R1為10kΩ時(shí)，幾種輸出電壓下R2的推薦值。

輸出電壓 R2(kΩ)
1.2 28.7
1.5 14.7
1.8 9.76
2.5 5.49
3.3 3.74

同理，要得到1.8V的輸出電壓，將R12取1kΩ，則R7應(yīng)為976Ω。

② 設(shè)置上電順序
如圖1所示，產(chǎn)生3.3V電壓的U1的PWRGD引腳接至產(chǎn)生1.8V電壓的U2的SS/EN引腳。這樣，即使電容擊穿，在開始上電時(shí)，產(chǎn)生3.3V電壓的U1輸出未達(dá)到閾值，PWRGD輸出低電平，產(chǎn)生1.8V電壓的U2處于關(guān)閉狀態(tài)，直至3.3V電壓穩(wěn)定，這樣可確保3.3V先上電；掉電時(shí)，U1的輸出低于閾值，PWRGD引腳輸出低電平，U2的輸出關(guān)斷，保證1.8V先斷電。根據(jù)上述原理，在紅外熱像儀中采用一片TPS54350給DSP內(nèi)核供1.2V電壓，另兩片54350分別給DSP外圍I/O提供3.3V電壓及1.8V的DDR電壓，設(shè)置上電順序?yàn)?.2V→3.3V→1.8V。

電壓監(jiān)控與復(fù)位電路
在紅外成像儀系統(tǒng)中，由于視頻電路的高頻特性，開關(guān)的電磁輻射和線路噪聲都將干擾電路的器件工作電壓。且DSP對(duì)工作電壓要求較高，偏差不能超過 5％，一旦工作電壓超出該偏差，長(zhǎng)時(shí)間工作容易縮短器件壽命甚至燒毀。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要通過電壓監(jiān)控電路實(shí)時(shí)監(jiān)控器件工作電壓，確保系統(tǒng)提供穩(wěn)定正常的電壓。

電壓監(jiān)控電路工作原理：系統(tǒng)上電期間，監(jiān)控器件的復(fù)位信號(hào)保持有效，使DSP始終處于復(fù)位狀態(tài)，一旦監(jiān)控的電壓值達(dá)到規(guī)定的門限電壓，則釋放復(fù)位，DSP即可正常工作。在工作中，如果監(jiān)控電壓低于門限值，監(jiān)控器件再次發(fā)送復(fù)位信號(hào)使系統(tǒng)復(fù)位。

TPS3808是TI公司的一款具有低靜態(tài)電流、可編程延遲的監(jiān)控電路。主要參數(shù)包括：輸入電壓范圍1.8～6.5V，上電復(fù)位可調(diào)整延遲時(shí)間1.25ms～10s，典型靜態(tài)電流2.4μA，高精度門限0.5％。

當(dāng)TPS3808的SENSE引腳電壓低于門限電壓或MR有效時(shí)，復(fù)位引腳輸出復(fù)位信號(hào)，CT引腳用來設(shè)定復(fù)位延遲時(shí)間，若懸空延遲時(shí)間為20ms，通過電阻連接至VDD則延遲時(shí)間為300ms，也可通過電容接地，根據(jù)電容值的不同可將延遲時(shí)間設(shè)定為1.25ms～10s，電容值的計(jì)算公式如下：

CT(nF)=[tD(s)-0.5×10-3(s)]×175  (2)

本系統(tǒng)采用TPS3808G12、TPS3808G18和TPS3808G33分別對(duì)1.2V，1.8V和3.3V電壓進(jìn)行監(jiān)控，三者的門限電壓分別為1.12V、1.67V和3.07V，當(dāng)輸入電壓低于門限電壓時(shí)，DSP就會(huì)收到復(fù)位信號(hào)，從而對(duì)電路進(jìn)行了保護(hù)。另外，TPS3808還具有一個(gè)手動(dòng)復(fù)位信號(hào)MR，可通過復(fù)位按鈕手動(dòng)復(fù)位。

圖2  TPS3808典型應(yīng)用電路

結(jié)語
經(jīng)使用證明，以高性能DC/DC調(diào)節(jié)器TPS54350為核心設(shè)計(jì)的紅外熱像儀電源電路，能夠提供穩(wěn)定精準(zhǔn)的電壓，且能保證正確的上電時(shí)序。另外，電壓監(jiān)控與復(fù)位電路使整個(gè)系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，同時(shí)也避免因電壓波動(dòng)而造成DSP加載異常。所以，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)也適用于其他DSP系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合。