基于CPCI的嵌入式单板计算机电源的设计方案

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  • 嵌入式运行速度高,系统较复杂,常常集成超大规模FPGA器件、DSP器件、DDR存储器以及各种接口电路。这对电源的输出电压值、功耗、电压精度、上电顺序以及电源完整性提出更高的要求。

    这里介绍一种基于CPCI的嵌入式单板计算机电源的设计方案。该设计主要应用于航空设备和军用车载设备。

    2、系统电源需求分析与器件造型

        图1为系统整体结构框图。该系统由CPU和与其相连的DDR储存器、PCI接口、时钟、电源、EBC总线以及外部接口电路组成。CPU采用AMCC公司的PowerPC 440EPx。

    基于CPCI的嵌入式单板计算机电源的设计方案

        2.1 系统电源需求

        该系统电源较复杂,有多达8种不同的电源电压值,其中5 V和3.3 V由CPCI机箱提供。5 V供给DC/DC器件降压以产生其他电源电压,同时给1553总线的变压器供电。3.3 V是系统主电源,包括USB PHY、时钟器件、FPGA和CPU以及PCI桥器件(PLX6466)的I/O部分等。其他电源电压都是由5V或3.3 V经电源器件降压得到。

        表1、2分别为CPU和PCI桥器件的功耗需求,CPU器件对上电顺序没有要求。其中VDD 1.5 V是PPC440EPx的内核电压,SOVDD是CPU的DDR2接口电源;1.8 V为PCI桥的内核电压,VDDIO是PCI桥的接口电源。

    基于CPCI的嵌入式单板计算机电源的设计方案

    该系统采用DDR2作为内存,使用4片Micron公司的MT47H64M16,容量为512 MB。每片DDR2器件的内核、接口和DLL的电源电压都是1.8 V,最大电流为440 mA。另外需特别注意DDR2的VREF以及地址和控制信号的端口接电压VTT,其电压值都是0.9 V。其中,VREF对容差的要求非常严格(小于2%),不过其对电流的要求较小。而对VTT不仅有严格的容差要求,而且还要求其能在瞬间输出或吸收很大的电流。同时,VREF岍要随着VDD的变化而变化,VTT也要跟踪VREF的变化。通常的LDO难以完成这样的工作,必须采用专用的DDR端接电源器件。

        该系统使用Spartan3型FPGA器件XC3S200实现1553收发器以及一些接口电路的设计。该器件使用3个电压内核电压VCCINT(1.2 V),辅助电压VCCAUX(2.5 V)以及接口电压VCCO(3.3 V)。FPGA内部有上电复位电路,只有当这3个电源信号都达到各自门限电压,才释放该复位信号。因此,对这3个电源信号的上电顺序没有要求。不过,如果 VCCINT先于VCCAUX上电,则会在上电时额外增加几百毫安的瞬时电流。估计FPGA器件功耗可采用基于电子数据表的工具XPower  Estimator(XPE)或在ISE下直接调用XPower。系统利用XPower软件估计出该设计功耗需求:VCCINT为50 mA,VCCAUX为10 mA。系统使用两片88E1111作为千兆以太网的PHY器件,该器件以2.5 V为砌电压(410 mA),1.0 V为内核电压(250 mA)。除上述集成电路外,系统还有诸如串行接口、USB接口、时钟等电路,但功耗都较低。从分析可知:1.5 V和1.8 V需要使用大功率的电源器件,DDR2的电源需要专用的电源器件,其他电压的功率要求较小。

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