一种实用的TMS320C6678供电系统设计与实现

方波　赵静　王进华

摘要：针对TMS320C6678供电系统发热量大，很难长时间稳定工作的问题，从工程应用的角度出发，设计一種实用的TMS320C6678电源系统。该系统在效率和功率方面实现优化，充分考虑功率消耗和热量散发，在常温下能够长期稳定的工作，在电源输出和消耗之间取得高效费比平衡。上述优点通过硬件平台的测试得以验证。

关键词：TMS320C6678;功耗;散热;稳定工作

中图分类号：TN79 文献标识码：B 文章编号：1006-8228（2020）08-57-03

0 引言

随着信息技术的发展，嵌入式系统的设计越来越复杂，在单CPU系统不能满足需求的情况下出现了越来越多的多CPU系统。多核CPU的出现，极大地简化了多CPU系统的设计，降低了成本和功耗，因此多核CPU在电子设计领域得到了广泛的应用。TI公司的TMS320C6678是近年来应用非常广泛的高性能8核CPU，其在提供强大性能的同时，也因其供电系统复杂，电源种类多、功耗大给设计带来了挑战。基于TMS320C6678的嵌入式系统在体积受到限制情况下，热量难以散发，很难长时间稳定地工作，在封闭系统中尤其存在散热难题。此时，系统设计的难点是电源功率的匹配和散热问题。电源系统在工作时，会受到多种因素的影响，输出的电压会随着外部影响而发生波动。如果输出电压的波动范围超过了系统所能承受的极限，系统会工作不正常，甚至发生故障。所以，在设计供电系统时，不但要考虑电源设计的电压是否满足要求，同时也要考虑功耗匹配和散热问题。

1 电源系统的硬件设计

CPU和DC/DC是嵌入式系统的两大热源。在设计电源系统时，既要考虑到实际的消耗功率，又要考虑到DC/DC的转换效率。当输出功率很大而消耗功率很小时，散热问题通常不严重，而消耗功率与输出功率占比达到70%以上时，电源系统的发热就会非常严重。因此，良好的电源系统是既要有足够的余量来控制发热，又要结合成本考虑不至于太浪费，要在散热和成本之间找到合理的平衡点。

1.1 供电需求

TMS320C6678芯片的供电需求非常复杂，相对于早期DSP（Digital Signal Processor）的3.3V IO电压和1.2V Core电压，TMS320C6678的供电种类多、电流大，对电压的稳定性需求高，给电源系统设计带来了很大的挑战。将TMS320C6678的电源需求进行归纳，其种类和功耗见表1[7]。

从表1可以看出，lV电压的电流需求较大，总的理论功率达到了l3W，这是8核所有功能模块都工作时的最大理论功耗。通常，内核在工作时，会受限于总线的服务能力，所有模块不可能同时满负荷工作。例如，内核工作在1.4GHz时，每个内核的实际功率约320mW，8个内核的总实际消耗功率约为320mW×8=2560mW[4]。此时，Activity Power的功率消耗约为3.34W，Baseline Power的功率消耗约为l4.66W，总的功率消耗为3.34W+14.66W=18W[2]。

1.2 时序控制的实现

TMS320C6678的供电种类多，上电顺序有严格的要求，不按推荐的顺序上电，可能会导致芯片工作不正常，常见的故障现象为无法连接仿真器。TMS320C6678推荐了两种上电顺序[3]：一种为核电压起始的上电顺序，CVDD>CVDDl.VDDTl-2>DVDDl8， AVDDl，AVDD2>DVDDl5，VDDRl-4>VREFSSTL;一种为10电压起始的上电顺序，DVDDl8， AVDDl， AVDD2> CVDD > CVDDl，VDDT1-2>DVDDl5，VDDRl-4>VREFSSTL。两种上电顺序没有优劣之分，本设计选用核电压起始的上电顺序，上电时间间隔设计为lOms，具体的上电顺序设计见图1。

TMS320C6678的上电设计是在FPGA配置完成以后，这样设计的好处有二：一是可用FPGA控制DSP的上电顺序[6]，无需增加额外的控制电路;二是DSP的配置管脚可由FPGA来控制，FPGA先处于就绪状态能确保DSP配置正确。由于电源空载时电压能很快从OV爬升到设计值，而带负载时电压爬升的时间将延长，为确保设计电压能有序达到设计值，避免前一个电压还处于上升过程中，后一个电压先达到设计值，所以各电压上电的时间间隔设置为lOms。

1.3 芯片的选型与实现

系统一次电源为DC28V，采用PowerGood公司的DC/DC转换器ESCN036120将DC28V转换为DCl2V。ESCN036120能在89%的效率下实现50W的功率输出。在整机功率接近30W时，一次电源的功耗占比为60%，满足降额设计的要求。根据表l的需求，TMS320C6678整体的供电配置设计如图2[1]所示。TI推荐的电源设计多处用到了TPS73701等线性电源LDO.LDO在工作当中会散发大量的热量，长时间工作热量容易聚集而导致温度过高，进而发生输出电压跌落。因此，实用级设计中要尽量避免使用LDO。

1.3.1 CVDD的可变核电压和CVDD1设计

常见的CVDD实现方案有两种：一种是模拟实现方案LMlOOll+TPS56121; -种是数字实现方案UCD9222+UCD7242。综合布局和设计复杂度考虑，选模拟实现方案布局布线更加简洁。其工作原理为：LMlOOll接收TMS320C6678 VCNTL[0：3]接口发送的VID码，然后通过IDAC_OUT引脚调整TPS56121的FB反馈端电压，进而调节TPS56121的SW输出端，以达到调节CVDD供电电压的目的。TPS56121是一款输入电源电压在4.5V与14V之间的高效率大电流同步降压转换器，输出电流高达l5A，典型的转换效率为90%，参考电压的精度为1%，可满足CVDD要求，其具体设计电路如图3所示。

TPS56121输出电压的计算公式为Vout（SW）=V FE（1+R1/R2），输出电压可通过Rl和R2调节。当匹配电阻设定以后，还可通过改变FB端的电压，来调节SW输出电压。由于CVDD电压是在1V上下变化，所以初始状态按照输出电压为1V设计。VFB端的初始电压为0.6V，匹配Rl=20k，R2=30k高精度电阻实现TPS56121的lV输出。LM10011根据TMS320C6678 VCNTL[0：3]接口发送的VID码来调节IDAC_OUT端的电压，以此来调节V OUT（SW）的输出电压，实现电压可变。

为了简化设计和减少芯片的使用种类，CVDDl的固定1V电源也由TPS56121实现。

1.3.2 DVDD18和DVDD15设计

固定l.8V电源采用高精度开关电源TPS54622设计实现。TPS54622采用N沟道MOSFETs输出，具有4.5V到l7V宽输入电压范围，最低0.6V的电压输出，可稳定实现l.8V 6A输出，开关频率范围在200KHz-1600KHz可调。0.6V的VRE，电压参考精度为1%，在0.594V-0.606V之间。输出电压可按Vo （PH）=VREF（1+R1/R2）计算，通过调整匹配电阻Rl和R2的阻值实现1.8V输出。输入电压为12V时，输出l.8V根据公式1.8V=0.6V（1+R1/R2）可得到Rl和R2的阻值，选择1%高精度的匹配电阻实现高精度1.8V电压输出。

为简化设计和减少芯片的使用种类，DVDDl5的固定1.5V电源也由TPS54622实现。VREFSSTL的电流需求很小，因此其0.75V电源由l.5V通过高精度分压电阻实现[1]。

2 电源系统的工程设计

一次电源ESCN036120发热量较大，应和电源滤波器一起放置在金属机箱侧壁，串联放置并且尽量接近以缩短DC/DC与滤波器的连线长度，12V输出通过0. 2mm2导线引入PCB，导线不能绕圈且尽量以直线传输。ESCN036120进线应靠近VIN并且进线尽量短，防止电磁辐射干扰。

PCB印制板方面，TMS320C6678引脚多达841个，综合布线和散热考虑，PCB设计为12层，即为TOPLayer -L2 GND-L3信号层-L4 POWER-L5信号层-L6 GND-L7 GND-L8信号层-L9 POWER-L10信号层-L11 GND- BOTTOM Layer[5]。电源层需要传输大电流，采用l05um铜层厚度，地层需要传递热量同样采l05um铜层厚度。PCB定位孔采用金属化孔并尽量增加孔壁的厚度，并将GND引入定位孔，定位柱采用实心铜柱。在整机无其他制冷方式时，应尽量增加外机箱的散热面积，室内温度应控制在25℃以下。在封闭环境使用时，还应该增加导热胶和导热板设计。

焊接方面，由于TPS56121和TPS54622发热量大，TI公司为芯片设计了金属散热片。在设计PCB时，TPS56121和TPS54622都应在PCB焊接面设计散热铜片，铜片的大小应超过芯片面积并且solder开窗，开窗的面积不应超过芯片的面积，芯片的Thermal Pad应和散热铜片进行良好的焊接。为防止焊接时焊锡进入过孔灌入印制板BOTTOM Layer，在焊接位置不应打孔，接地孔应打在芯片的两侧并且为通孔，在满足布线要求的情况下应增加孔径和孔的数量。

芯片布局方面，TPS56121（1V可变），TPS56121（1V），TPS54622（1.8V）.TPS54622（1.5V）不能放置在相邻位置，以免热量过快聚集。理想的布局是4个转换器分别靠近4个PCB定位孔，以便能将热量快速的通过实心金属定位柱导出。

3 结论

本文从工程实践的角度出发，综合多年的工程实践经验，设计了TMS320C6678可长时间稳定工作的供电系统。在充分考虑功率消耗的前提下，设计了与之匹配的并具有良好散热性能的实现方案。经过硬件平台验证，在22℃室温下单机温度稳定在42℃，低于商业级芯片70℃的极限工作温度，工作稳定可靠，無异常情况发生，为系统级软件开发提供了稳定的硬件平台。该供电系统可广泛应用于TMS320C6678各种嵌入式系统，并且可扩展为多CPU供电系统。

参考文献（References）：

[1]Texas Instruments Corp. Hardware design guide forKeyStone TM I

devices[EB/OL]. http：//www.ti. com/lit/pdf/sprabi2，2020-4-20.

[2]Texas Instruments Corp. Power Consumption Summaryfor KeyStone C66x Devices[EB/OL].http：，，，u，ww.ti.com/lit/pdf/sprabi5，2020-4-20.

[3]Texas Instruments Corp. Multicore Fixed and Floating-Point Digital Signal Processor[EB/OL].http：//www.ti.com/lit/gpn/TMS320C6678， 2020-4- 20.

[4]Texas Instruments Corp. C6678 power model with l.4GHz support [EB/OL]. https：//e2e.ti.com/support/ processors/f/791/t/326240，

202 0-4- 20.

[5]Texas Instruments Corp. TITMS320C6678 EVMBoardSchematic [EB/OL].ht[p：//，www.ti com. cn/cn/lit/pdf/tidrft2，2020-4-20.

[6]施庆展，冯起，罗慧，袁乃昌.基于FPGA的TMS320C6678 DSP的电源和时钟设计[J]电子设计工程，2015.5：113 -117

[7]刘文政.多核DSP TMS320C6678的电源设计[J].舰船电子对抗，2015.5：151-153.

作者简介：方波（1978-），男，四川简阳人，硕士，高级工程师，主要研究方向：嵌入式系统设计。