高功耗嵌入式单板计算机的电源设计与实现

刘宝明，苏培培

（中国船舶重工集团公司江苏自动研究所，江苏 连云港222006）

0 引 言

当前集成多个处理核心和高速接口的SOC型的处理器为复杂嵌入式计算机系统的设计带来了方便性和灵活性。例如，Free scale公司推出的MPC8641D处理器内部集成两个e600核心、两个DDR2控制其和两个高速SerDes接口，适合高密度的信号处理应用。由于处理器集成度高、接口丰富，正常工作所需的电压种类多、电流消耗大。因此，在进行基于双核MPC8641D处理器的嵌入式单板计算机开发过程中，设计稳定可靠的电源供电是其中一个关键部分。通过分析MPC8641D处理器的供电要求和外围功能电路的特点，选用高性能的DC－DC和多种LDO电源芯片，实现单板计算机的电源供电设计，重点采用高性能三相开关电源芯片实现了处理器内核的电源设计；并通过可编程逻辑CLPD实现了嵌入式单板计算机的上电时序控制和复位管理，解决基于高性能SOC处理器高功耗的单板计算机电源供电与管理问题。

1 处理器上电分析

MPC8641D处理器内部集成两个e600内核和高速SerDes接口以获取高的处理性能和数据传输，工作主频最高为1.5GHz，每个内核配备一个矢量处理引擎AltiVec，可带来的额外性能提升。由于该处理器属于SOC，工作所需的电源较多，例如本地总线接口需要有3.3V电源输入，网络接口部分需要2.5V的电源输入，DDR2内存控制器部分需要1.8V电源，其处理器内核则需要1.0V电源。按照芯片数据手册中的要求，处理器在上电时必须保证除DDR2功能电路以外的电路先供电，DDR2控制器相关单元后上电，并且所有电源必须在20ms之内上电完成，并进行使能时钟输出和结束复位，数据手册中推荐的上电顺序图见图1。

图1 MPC8641D处理器的上电时序

2 电源设计方案

基于MPC8641D处理器的嵌入式单板计算机主要应用于信号处理与数据计算领域，按照功能单元划分单板计算机主要包括处理器最小单元、存储器单元、FPGA协处理器单元、高速接口单元，以及时钟、复位等功能电路。计算机模块正常工作需要包括5V、3.5V、2.5V、1.8V、1.2V、1.0V等多种电压的电源，整版功耗预计在35W左右。通常嵌入式单板计算机工作在一个密闭的、带底板机箱环境中，由底板提供的12V和5V作为电源输入，计算机模块正常工作所需的电压源均通过12V和5V的电源转换而来。为了实现多种不同电压源时序控制，嵌入式单板计算机上需要有一个Standby电源，主要功能是为上电控制器提供电源，确保上电控制器先于其它功能电路加电工作，由上电控制器控制各种电源的输入隔离和转换，并按照内部的逻辑指令完成计算机模块的电源上电顺序控制、复位时钟使能等管理功能。整个嵌入式单板计算机的总体供电原理见图2。

图2 供电实现原理框架

3 电源转换设计与实现

3.1 电源芯片选型

嵌入式单板计算机中的供电方式主要有两种，一种是开关电源，另一种是线性电源。开关电源就是利用MOSFET管的轮流导通和关断实现供电，而线性电源则是通过工作在线性状态的MOSFET管直接输出供电。开关电源的主要工作原理就是上桥和下桥的MOSFET轮流导通，首先电流通过上管流入，利用线圈的存储功能，将电能集聚在电感线圈中，最后关闭上管，打开下管，线圈和电容持续给外部供电，然后又关闭下管，再打开上桥让电流进入，就这样以几十KHz或几百KHz的频率重复进行，轮流开关MOSFET管。由于开关电源能够高效率的转换电能，不会产生太多热消耗，而线性电源正常工作时MOSFET管处于线性状态，由于没有开关的介入，即用不完的电能全部转换成了热能，因此线性电源的转换效率就非常低，而且热量高、元件的寿命下降快。因此在进行电源设计时，根据不同负载对电流的需求以及自身特点，选用合适的电源转换芯片进行电源设计是必要的。

在嵌入式单板计算机中，3.3VTTL或CMOS电平是的主要逻辑电平，同时3.3V还作为其它低电压电源转换器件的电压输入源，通过初步的估算和分析，整个模块对该3.3V电源的电流需求约为5～6A；MPC8641D处理器的核心1.0V电压典型情况下需要的电流为25A。对于需要大电流的负载采用开关电源进行设计，尤其是处理器的核心电源采用多相供电电源以保障其稳定性和可靠性。通过分析比较，采用TI公司的PTH08T240设计3.3V、2.5V的负载电源，采用LINEAD公司的高性能三相开关电源转换芯片LTC3731设计处理器的内核电源。而对于电流需求低于3A的1.8V 的 Flash、1.2V、0.9V 的端接电压，可采用LDO器件进行设计。当前芯片技术工艺的不断改进，LDO器件在体积不断减小，输出能力不断提供，例如提供3A的电流器件已经非常成熟，如TI公司的LDO芯片TPS74401。

3.2 Standby电源与隔离设计

Standby电源主要功能是提供上电控制器的电源，隔离其它电源输入，保证上电控制器先于其它电路工作。当系统工作加电时时，外部的直流12V和5V电源进入到单板计算机，首先经过一个电源转换形成3.3V的Standby电源，使上电控制器先工作起来，而12V和5V电源则需要经过一个 “Hot Swap”隔离芯片，其使能由上电控制器进行控制。Standby电源实现原理见图3，隔离芯片选用MICREL公司的MIC2583，该芯片是一个单通道正向电压热插拔控制芯片，8脚SOIC封装，需要很少的外部器件和一个N沟道MOSFET实现电压隔离控制，广泛应用在嵌入式计算机板到带电底板的热插拔环境，并且带有使能控制功能，可方便实现输入输出的隔离与控制。

图3 Standby电源设计

3.3 3.3V/2.5V电源设计

基于MPC8641D处理器的嵌入式单板计算机中逻辑电平为3.3V，网络接口器件的工作电平为2.5V，协处理器FPGA的部分I/O也为2.5V电平。因此3.3V/2.5V主要为普通数字电路供电，对电源的纹波要求和动态响应不是非常苛刻，而整版对3.3V和2.5V的电压电源的电流需求分别为5－6A、3～4A，TI公司的开关电源DC/DC模块PHT08T240在一块小PCB上集成了控制芯片、MOSFET管等器件，最大输出电流可达10A，具有较宽电源输入和高效性，体积只有24mm×16mm，通过外部的几个电阻和电容就能实现稳定电源输出。为了控制电源模块的使能与禁止，将模块电源的使能 （Inhibit）引脚连接一个开关电路，并将控制信号连接至上电控制器，由上电控制器实现关断与使能，3.3V和2.5V输出电压可通过设置不同的调压电阻实现，电阻选择的公式为，当输出为3.3V 是 Rset＝1.21k，当输出为2.5V时Rset＝2.37k，详细的电路设计原理见图4。

图4 3.3V/2.5V电源设计

3.4 处理器的内核电源设计

处理器是整个计算机系统的核心部分，也是最敏感的部件之一，而处理器的内核电源是单板计算机的供电部分重中之重，必须保持稳定、干净。MPC8641D处理器的核心电压为1.0V，需要的电流高达25A，对于一般的开关电源难以满足要求，同时处理器核心电压对纹波和高频噪声都有严格的要求，例如允许的电压波动范围为0.95V～1.05V。LINEAD公司的控制芯片LTC3731一款三相电源输出的、同步降压型的开关控制器，每项的开关频率从250 KHz～600KHz可调，具有良好的过载和轻载时的动态响应特性，其三相供电方式能够提供相对稳定的电压，保证CPU负荷突然变化时，产生较小的电压波动。

基于LTC3731开关电源芯片开展电路设计时，为了有效的抑制尖峰的毛刺、高频的杂波，提供干净的电源环境，需要通过一定的计算，合理选择外部器件如MOSFET管、电感和电容。首先根据负载对电流和电压需要设置开关芯片的工作频率，LTC3731开关芯片的最高工作频率为600KHz，通常可以设置在500～600KHz之间，因为随着开关频率增加，MOSFET管的门电路充电损耗也将增加，从而降低电路的工作效率。电感的选择直接影响到输出电流的纹波，并且纹波电流的大小△I随着电感值L、工作频率f的增大而减小，而随输入电压Vin和输出电压Vout的增大而增大，其数学关系式为处理器内核电压为1.0V，其电流需求约为25A，为确保在开关电流峰值时不饱和 （开关峰值电流要大于输出电流3～4倍），所选的电感耐电流峰值应该在60A以上，并且选择铁氧体的磁芯和直流电阻尽量小的电感，以减少开关过程中涡流损耗；由于多相开关电源芯片的每相电流输出之间能够对纹波进行消减，因此三相电源相对于单相电源输出具有很好抑制纹波。在确定了工作频率和电感之后，需要选择电流检测电阻Rs，该电阻的两端连接至芯片Sense±引脚，通过芯片内部的电流比较放大器调整输出电流的纹波，通常Rs采用低阻值、大功率的电阻，如0.002欧姆的功率电阻。对于外置N－MOSFET管则尽量选用导通等效电阻较小的器件，一般是10个毫欧姆以下的，耐压值要满足12V电源输入，而与下MOSFET管组成续流回路的二极管必须采用快速的肖特基二极管，并且要满足大于峰值电流为要求。电容应选择等效串联电阻小（LOW ESR）的电解电容、瓷片式钽电容，这可降低输出纹波电压。处理器内核的电压电源的设计电路原理框图见图5，其中通过一个二极管和电容设计了三相开关的自举电路，保证芯片正常工作时外置的上边MOSFET管的持续导通。

3.5 DDR2电源设计

MPC8641D处理器片上集成两个DDR2内存控制器，支持JEDEC标准x8、x16、x32的DDR2和DDR2存储器的扩展。基于MPC8641D处理器的嵌入式单板计算机设计了1GB的DDR2存储器，每个控制器采用4片x16的内存颗粒构成64bit 512MB存取容量。DDR2采用的是1.8V供电和0.9V的端接电源，由于DDR2内存颗粒本身的功耗不高，对输入电压的有较高的要求。TPS744401是一款线性电源转换芯片，能够提供一种简单可靠的供电，并且具有输入使能控制和软启动定时控制功能，可以由上电控制器进行统一控制与管理；而0.9V端接电压由TI公司的TPS51100转换实现，DDR2内存的电源设计电路图见图6。

4 上电控制器设计

上电控制器通常可以采用小型的单片机或可编程逻辑器件实现。采用可编程逻辑器件 （如CPLD）相对于单片机的设计具有较强的灵活性，通过硬件描述语言进行编程设计。例如，采用一片ALTERA的EPM240CPLD设计电源控制器，该CPLD采用3.3V供电，因此Standby电源设计为3.3V，该CPLD具有240个宏单元能够满足中等规模的控制算法。

单板计算机上所有电源转换芯片都受到上电控制器的控制，具体实现是通过将每个电源转换模块的使能控制信号和电源输出状态Power Good信号经过调理电路连接至CPLD的IO引脚，根据不同电源转换芯片的转换时间等参数，初步确定电源上电时序，但由于每个电源模块的转换时间从几百个皮秒 （ps）到几十个毫秒 （ms）不等，并且每个电源芯片手册中的理论值与实际电路存在差异，因此将电源转换器件的电源输出状态信号Power Good引入控制器作为可选的触发控制变量，设计定时器进行精确的时间控制，并且通过多次的实际测试、对比，修改定时器的定时至，最终达到在20ms时间内完成上电的要求。基于CLPD的上电控制器程序设计流程图见图7。

图5 核心电压电源设计

图6 DDR2控制器电源设计

图7 上电控制器软件流程

5 结束语

双核MPC8641D处理器凭借其较强的处理性能和丰富接口在嵌入式计算机系统广泛应用，为了满足诸如此类基于高性能处理器的单板计算机电源设计，分析了处理器的上电时序和不同负载的功能，采用多种灵活的电源转换芯片实现了多种电源设计，并通过可编程器件CPLD实现了整版的上电时序控制，所设计的计算机模块能够在较恶劣的环境中的稳定可靠工作。

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