深入剖析TPS650864：Xilinx MPSoCs和FPGA的理想電源管理方案

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電源管理是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，它直接影響著設(shè)備的性能、穩(wěn)定性和效率。今天，我們要深入探討的是德州儀器（TI）推出的TPS650864，一款專門為Xilinx Zynq? 多處理器片上系統(tǒng)（MPSoCs）和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）設(shè)計(jì)的電源管理集成電路（PMIC）。

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一、TPS650864的特性亮點(diǎn)

1. 寬輸入電壓范圍

TPS650864支持5.6V至21V的寬輸入電壓范圍，這使得它能夠適應(yīng)多種不同的電源供應(yīng)，無論是墻式電源還是2S、3S或4S鋰離子電池組，都能輕松應(yīng)對(duì)。這種靈活性使得該芯片在各種應(yīng)用場景中都具有廣泛的適用性。

2. 多樣的電壓調(diào)節(jié)模塊

• 降壓控制器：它集成了三個(gè)可變輸出電壓的同步降壓控制器，采用D - CAP2? 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些控制器可以通過外部FET實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的輸出電流，并可通過I2C進(jìn)行動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)（DVS），輸出電壓范圍從0.41V到1.67V（步長10mV）或1V到3.575V（步長25mV）。
• 降壓轉(zhuǎn)換器：三個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器采用dcs - control拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸入電壓范圍為3V至5.5V，輸出電流可達(dá)3A。同樣支持I2C DVS控制，輸出電壓范圍與控制器類似。
• LDO穩(wěn)壓器：包含三個(gè)可調(diào)節(jié)輸出電壓的LDO穩(wěn)壓器。LDOA1可通過I2C選擇1.35V至3.3V的輸出電壓，最大輸出電流可達(dá)200mA；LDOA2和LDOA3可選擇0.7V至1.5V的輸出電壓，最大輸出電流各為600mA。
• VTT LDO：專門為DDR內(nèi)存終端設(shè)計(jì)，可提供穩(wěn)定的電壓。
• 負(fù)載開關(guān)：三個(gè)具有壓擺率控制的負(fù)載開關(guān)，最大輸出電流可達(dá)300mA，電壓降小于標(biāo)稱輸入電壓的1.5%。

3. 高度的可配置性

通過工廠OTP編程，TPS650864具有內(nèi)置的靈活性和可配置性。它提供了六個(gè)可配置的GPI引腳，可用于啟用或進(jìn)入任何選定導(dǎo)軌的睡眠模式；四個(gè)可配置的GPO引腳，可用于指示任何選定導(dǎo)軌的電源良好狀態(tài)；還有一個(gè)開漏中斷輸出引腳，提供豐富的系統(tǒng)控制和監(jiān)控功能。

4. 高速I2C接口

支持標(biāo)準(zhǔn)模式（100kHz）、快速模式（400kHz）和快速模式加（1MHz）的I2C接口，使得芯片與微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器之間的通信更加高效和靈活。

二、應(yīng)用場景廣泛

TPS650864的應(yīng)用場景十分豐富，涵蓋了可編程邏輯控制器、機(jī)器視覺相機(jī)、視頻監(jiān)控、測試與測量、嵌入式PC、運(yùn)動(dòng)控制以及便攜式超聲等多個(gè)領(lǐng)域。這得益于其高性能、高靈活性和可配置性，能夠滿足不同應(yīng)用對(duì)電源管理的需求。

三、詳細(xì)設(shè)計(jì)與配置

1. 不同型號(hào)的設(shè)計(jì)與設(shè)置

根據(jù)文檔介紹，TPS650864有多個(gè)不同的型號(hào)，如TPS6508640、TPS65086401、TPS6508641和TPS65086470，每個(gè)型號(hào)都有其特定的設(shè)計(jì)和設(shè)置，以滿足不同的應(yīng)用需求。例如，TPS6508640優(yōu)化用于為Xilinx Zynq Ultrascale + MPSoC的較高范圍供電，而TPS65086401則更適合為較低范圍的平臺(tái)供電。

2. SMPS電壓調(diào)節(jié)器

• 控制器概述：降壓控制器采用D - CAP2控制方案，能夠快速響應(yīng)負(fù)載變化，優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)。該方案通過從SW節(jié)點(diǎn)注入紋波來模擬輸出紋波，消除了D - CAP? 模式控制中對(duì)ESR引起的輸出紋波的需求，因此可以使用低成本的陶瓷MLCC電容器。
• 轉(zhuǎn)換器概述：同步降壓DCDC轉(zhuǎn)換器采用獨(dú)特的滯環(huán)PWM控制器方案，支持高開關(guān)頻率，具有出色的瞬態(tài)和交流負(fù)載調(diào)節(jié)能力。它支持強(qiáng)制PWM模式和節(jié)能模式，可根據(jù)負(fù)載情況自動(dòng)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最佳效率。
• 動(dòng)態(tài)電壓縮放（DVS）：所有的降壓控制器和轉(zhuǎn)換器都支持DVS，可根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電壓，以提高系統(tǒng)效率。DVS的壓擺率最小為2.5mV/μs，確保輸出電壓能夠快速跟蹤目標(biāo)值。
• 電流限制：降壓控制器的電流限制是可編程的，可通過ILIMx引腳的外部電阻進(jìn)行設(shè)置。而降壓轉(zhuǎn)換器則在每個(gè)周期對(duì)電感峰值電流進(jìn)行限制，以保護(hù)電路安全。

3. LDO和負(fù)載開關(guān)

• VTT LDO：通常由BUCK6的輸出供電，跟蹤FBVOUT6并將輸出調(diào)節(jié)為FBVOUT6 / 2，專門為DDR內(nèi)存供電設(shè)計(jì)。
• LDOA1 - LDOA3：集成了三個(gè)通用LDO，輸出電壓可通過編程設(shè)置，具有良好的負(fù)載和線性調(diào)節(jié)能力。
• 負(fù)載開關(guān)：三個(gè)通用負(fù)載開關(guān)具有內(nèi)置的壓擺率控制，可限制啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流。

4. 電源良好信號(hào)和GPO

該芯片通過四個(gè)GPO引腳和電源良好狀態(tài)寄存器提供有關(guān)VR狀態(tài)的信息。電源良好信息可以分配給任何單個(gè)VR和負(fù)載開關(guān)，并且GPO的斷言延遲是可編程的，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。

5. 電源排序和VR控制

TPS650864提供了三種不同的方法來對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行電源排序和控制：通過CTLx引腳啟用導(dǎo)軌、通過先前啟用導(dǎo)軌的電源良好信號(hào)啟用導(dǎo)軌以及通過I2C軟件命令啟用導(dǎo)軌。這種靈活性使得芯片能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的電源管理需求。

6. 設(shè)備功能模式

• 關(guān)斷模式：當(dāng)VSYS引腳的電源電壓低于VSYS_UVLO_5V（標(biāo)稱5.4V）+ VSYS_UVLO_5V_HYS（標(biāo)稱0.2V）時(shí)，設(shè)備進(jìn)入關(guān)斷模式，所有輸出導(dǎo)軌均被禁用。
• 待機(jī)模式：當(dāng)VSYS引腳的電源電壓高于VSYS_UVLO_5V + VSYS_UVLO_5V_HYS時(shí)，設(shè)備進(jìn)入待機(jī)模式，所有內(nèi)部參考和穩(wěn)壓器（LDO3P3和LDO5）正常運(yùn)行，I2C接口和CTL引腳準(zhǔn)備好響應(yīng)。
• 活動(dòng)模式：當(dāng)通過輸入引腳或I2C啟用任何輸出導(dǎo)軌時(shí)，設(shè)備進(jìn)入活動(dòng)模式，輸出調(diào)節(jié)電壓也可以通過寫入VID位進(jìn)行更改。

7. I2C接口

該芯片的I2C接口是一個(gè)2線串行接口，支持標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式和高速模式。它作為從設(shè)備工作，允許主設(shè)備（通常是微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器）控制總線，實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片各種功能的編程和監(jiān)控。

8. 寄存器映射

文檔詳細(xì)介紹了芯片的寄存器映射，包括設(shè)備ID、中斷狀態(tài)、控制寄存器等。通過對(duì)這些寄存器的操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片各種功能的配置和監(jiān)控，如電壓調(diào)節(jié)、睡眠模式設(shè)置、電源故障屏蔽等。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)與布局

1. 設(shè)計(jì)要求

在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，需要注意在電源引腳使用去耦電容，并根據(jù)具體應(yīng)用需求調(diào)整控制器、轉(zhuǎn)換器、LDO等的參數(shù)。

2. 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

• 控制器設(shè)計(jì)：包括設(shè)計(jì)輸出濾波器、選擇FET、選擇自舉電容、選擇輸入電容和設(shè)置電流限制等步驟。
• 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)：主要包括設(shè)計(jì)輸出濾波器和選擇輸入電容兩個(gè)步驟。
• LDO設(shè)計(jì)：對(duì)于VTT LDO，建議使用陶瓷電容以處理DDR內(nèi)存的快速負(fù)載瞬變；對(duì)于其他LDO，根據(jù)文檔中的參數(shù)選擇輸入和輸出電容。

3. 布局指南

布局對(duì)于開關(guān)電源的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，尤其是在高峰值電流和高開關(guān)頻率的情況下。要使用寬而短的走線作為主要電流路徑和電源接地軌道，將輸入電容、輸出電容和電感盡可能靠近設(shè)備放置，使用公共接地節(jié)點(diǎn)作為電源接地，使用單獨(dú)的隔離節(jié)點(diǎn)作為控制接地，以減少接地噪聲的影響。

4. 5V輸入應(yīng)用

TPS650864可以通過5V輸入電壓供電，需要將控制器的VINs接5V輸入，將VSYS接通過升壓或電荷泵將5V升壓到5.8V的電源。同時(shí)，建議在5V輸入到VSYS之間使用肖特基二極管，以確保VSYS在升壓穩(wěn)壓器啟用之前被偏置。

五、總結(jié)

TPS650864是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的電源管理集成電路，為Xilinx MPSoCs和FPGA提供了高度靈活和可配置的電源解決方案。其豐富的特性和廣泛的應(yīng)用場景使其成為電子工程師在設(shè)計(jì)相關(guān)設(shè)備時(shí)的理想選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體需求，合理設(shè)計(jì)和配置該芯片，同時(shí)注意布局和布線等細(xì)節(jié)，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。你在使用TPS650864或其他電源管理芯片時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。