TMS320VC5416+CPLD图像数据采集卡电源设计方案
【方案介绍】
本数据采集卡作为整个控制卡的一部分，可以应用在图像数据采集、语音数据采集等领域。其采用德州仪器TMS320VC5416 DSP作为处理器, Lattice公司的ispMACH系列LC4256V CPLD作为系统间逻辑控制，板载4Mbit NORFLASH及32M NANDFLASH,并带有隔离RS485工业总线，PDIUSBD12 USB器件，可通过USB供电及传输数据。德州仪器TMS320VC5416DSP是其定点C5000系列产品中的经典产品，它具有高达120MHZ/160MHZ的主频，8M FLASH存储器，128K RAM。它是基于先进的改进哈佛结构的16 位定点DSP，拥有一条程序总线和三条数据总线。本数据卡采用的是160MHZ型号，采用多层板设计，数据接口皆采用光耦隔离，实现了高速通信的抗干扰设计。 下面描述一下该数据采集卡的电源设计方案： 电源方案框图如下：
由于TMS320VC5416DSP内核采用1.6V供电，外部采用3.3V供电，而对于LC4256V及NORFLASH、NANDFLASH、PDIUSBD12和光耦皆用3.3V供电，MAX3487和MAX3486采用5V电源，考虑到5V可以用USBBUS本身提供，所以在设计板卡时，需要额外提供两种电源。经过几天的选型，后来选择了这款德州仪器的TPS767D301双LDO电源芯片,这个芯片是TI专用于DSP系统中需要双电源供电的电源方案。 它的主要特点如下： ◆ 带有可单独供电的双路输出，一路固定输出电压为3.3V，另一路输出电压可以调节，范围为1.5-5.5V；
◆ 每路输出电流的范围为0-1A；
◆ 电压差大小与输出电流成正比，且在最大输出电流为1A时，最大电压差仅为350mV；
◆ 具有超低的典型静态电流（85μA），器件无效状态时，静态电流仅为1μA；
◆ 每路调整器各有一个开漏复位输出，复位延迟时间为200ms；
◆ 28引脚的TSSOP PowerPAD封装形式可保证良好的功耗特性；
◆ 工作温度范围为-40℃-125℃，且每路调整器都有温度自动关闭保护功能。
它的各功能引脚如下：
俗话说，好马配好鞍，这个芯片当时采购价格还是蛮高的，不过性能确实不错。下面是电路原理图和实物图片。
板卡电源部分实物：
板卡局部实物图：
在TI WEBENCH工具中，集成了【FPGA/uP】选项工具，选择对应好的控制器件后，可以直接得到一个针对此器件的电源方案，可谓非常省事。下面我们就用这个工具，重新来设计一个针对TMS320VC5416的电源方案。 【TI WEBENCH方案设计】
下面是利用TIWEBENCH工具生成TMS320VC5416芯片方案的过程：
步骤一 开启设计
首先点击工具图标左上角的【FPGA/uP】及红色字体【UpArchitect】，这里选择处理器电源为：【TI】如下图：
说明：在这个架构工具中，TI将FPGA和uP集成在一块，DSP属于【Up Architect】。
步骤二 选择TMS320VC5416芯片开启设计
点击上面的【开启设计】后，系统会载入FLASH界面，并出现一个型号选择界面，这里面全是德州仪器公司的产品，从AM335系列、MSP430系列，DSP系列都有，不过只有其公司产品的部分型号，在里面找到一个【TMS320VC5416PGE160】这一项。如下图：
这里系统已经给出了默认电源参数，CVDD:1.6V/0.06A；DVDD:3.3V/0.04A。这个参数先不管它，点击绿色按钮增加多个负载项，会进入下面环节：
步骤三 参数配置
在这里，输入好设计参数：由于采用USB供电，电流最大输出：0.5A,所以在输入参数时设置如下：输入电源：Vmin=Vmax=5V,温度默认是30℃，这里改为：40℃。配置输出电源如下：一路CVDD:1.6V/0.06A，保持参数不变。一路DVDD变为：3.3V/0.34A，原来的：0.04A仅用于DSP供电是足够的。注意：这里的DVDD还要为其它CPLD/FLASH/USB/光耦供电，所以要设计的大一些。剩下一路为：5V/0.1A，这里就不用增加一个电源了，如果增加一个电源负载，系统会额外提供一个芯片的，这样成本就增加了。USB5V电源是可以直接为485器件供电的。
设置好的电源参数如图：
点击【提交项目要求】进入下一个环节：
在优化选项这个地方，这里不再选择【最低成本】，将按钮放置到中间，采用平衡的策略即可。如下图：
点击【检视/编辑】进入下一个环节：这里工具会增加项目细节：
步骤四 参数检测、编辑修改
生成一个预览方案：就是一个方案初稿，采用什么芯片，让你看看
在这个过程中，可以对输入的参数进行检查，检查无误后，就可以生成正式方案了。
结果，在这里看到多出一个3.3V/600mA的电源，这里是前面加载的，但是显示不出来，所以到了这一步时，就会有了。有了这个环节，正好可以预防这种情况。将鼠标点到该电源处，将其删除，重新检验一下就可以了。方案如下图：
这样子就符合我们的设计要求了。点击【电源】选项，生成最后的方案！
步骤五 生成方案、报告、原理图
这个界面是生成方案的最后界面，里面有BOM表，图表，优化选项，热仿真，原理图和设计报告等。点击方案界面的【EXPORT】按钮，可以导出原理图，这里选择常用的AD格式，点击【Design Document】按钮，可以导出完整的设计报告。如下图：
打开设计报告后，可以得到方案的详细信息，不过里面没有原理图，需要把两个原理图都导出来才行。
下面是两个原理图的截图：系统采用了LMR10510X芯片来设计1.6V电源，采用LM3670-3.3V来设计3.3V的电源。
【方案比较】
得到采用WEBNCH设计的方案后，和我们用原来的设计方案进行一下详细对比
原始方案和WEBENCH设计方案比较
参数
| 数据采集卡实际设计方案 | WEBENCH设计方案
| 设计时间
| 两周（包括芯片型号选择）
| 15分钟
| 方案整体BOM成本
| 实际：20元（芯片：18元）
现价：2.2美元（不含税）
|
现价：0.98美元（不含税）
| 方案整体效率
| 大体测算：大约在60%-70%
| 根据设计报告：91.032%
| 方案整体面积
| 600-800mm2
| 166mm2
| BOM
| 11个元件
| 12个元件
| 电源芯片个数
| 1个
| 2个
|
通过以上图表数据的对比，可以看出，采用TIWEBENCH工具设计的方案有优势。 在设计时间方面，利用WEBENCH工具进行设计，大约只要用15分钟左右的时间，而在实际方案主要是花在电源芯片的选择上，需要考虑的因素很多，所以浪费了大量的时间；
在方案整体效率方面：利用WEBENCH工具设计的方案大部分推荐了开关电源类芯片，这里芯片的特点就是高效率，所以整体效率可以高达90%以上，而实际方案采用的是双LDO芯片，也就是低压差线性稳压器，效率比较低；
在PCB板面积上，利用WEBENCH工具设计的方案占用面积较小，因其采用了小封装的器件，容易进行批量贴片，而实际方案采用的双LDO芯片采用的TSSOP28封装，外加钽电容，占用体积较大，对于多层板而言，增加不少成本；
元件数量上，两者相差不多，实际方案使用的电阻和电容较多，利用WEBENCH工具设计的方案阻容器件较少，但后者采用了两个电源芯片，在调试板卡的过程中，会增加一些调试时间。
总之，利用WEBENCH工具设计是非常好的，开发时间端，使用的电源芯片效率高，可以根据不同的需要来进行设计，方便了大家的选择。这就好像，在以前，到集市上买个东西，问三问四，费了半天劲，才能买到一个还算满意的东西。超市出现后，想买啥直接到相关区域就可以买到了。一句话，TI WEBENCH在线设计工具就相当于一个电源超市！
【相关文档】
TMS320VC5416 CPLD图像数据采集卡电源设计方案.pdf
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发表于 2013-9-15 17:16:10
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