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TMS320LF2407A在混合電壓系統中的設計
摘要：介紹了TMS320LF2407A在混合電壓系統中的設計。首先對TMS320LF2407A做了簡單的介紹，然后闡述了TMS320LF2407A的電源問題以及與5V器件接口時存在的邏輯電平不匹配問題，分析了產生這些問題的原因，并給出了相應的解決方案。關鍵詞：邏輯電平 DSP控制器 電源 接口
隨著便攜式數字電子產品、數字式移動電話、手持式測試儀表等的迅速發(fā)展，要求使用體積小、功耗低、電池耗電小的器件，從而使得集成電路的工作電壓已經從5V降到3．3V甚至更低，例如2．5V和1．8V。但是目前仍有許多5V電源的邏輯器件和數字器件可用，因此在許多設計中將會有3．3V邏輯器件和5V邏輯器件共存，而且不同的電源電壓在同一電路板中混用。隨著更低電壓標準的引進，混合電壓的系統將會代替單電壓系統，并會在很長時間內存在。
1 TMS320LF2407A概述
TMS320LF2407A是TI公司推出的一款定點DSP控制器，它采用了高性能靜態(tài)CMOS技術，使得供電電壓降為3．3V，減小了控制器的功耗；40MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到25ns(40MHz)，從而提高了控制器的實時控制能力；集成了32K字的閃存(可加密)、2．5K的RAM、500ns轉換時間的A／D轉換器，片上事件管理器提供了可以滿足各種電機的PWM接口和I／O功能，此外還提供了適用于工業(yè)控制領域的一些特殊功能，如看門狗電路、SPI、SCI和CAN控制器等，從而使它可廣泛應用于工業(yè)控制領域。
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然而，在實際的應用系統中，還需要對TMS320LF2407A進行必要的外圍擴展，譬如程序區(qū)和數據區(qū)的擴展、CAN的驅動等，以滿足整個應用系統的實際需要。
2 電源設計
TMS320LF2407A的工作電壓是3．3V，而目前許多常用外圍器件的主要工作電源通常是5V，因此以TMS320LF2407A為核心所構成的應用系統必然是一個混合電壓系統。與完全的3．3V系統相比較，混合電壓系統由于低電壓器件的缺乏，顯然有不少缺點。其中一個主要缺點就是對多電源的要求，一個典型的系統需要3V、5V、+12V／-12V，甚至更高的電壓。設計的一個目標就是減少所需電源的數目，并減少產生這些電源電壓所需器件的數目。為了減少多電源所需的額外器件的數目，不少廠家提供了產生多種電壓的芯片。同時，隨著技術的不斷進步，將會出現更多的低電壓器件，從而逐漸消除對多電源的要求和產生這些電源的花費和復雜性。 對于TMS320LF2407A應用系統而言，首先要解決TMS320LF2407A的電源問題。解決3．3V電源通常有以下幾種方案。
2．1 電阻分壓
利用電阻分壓的方法比較簡單，其原理如圖1所示。但是，該電路實際的輸出電壓顯然要小于3．3V，并且隨著負載的變化，輸出電壓也會產生波動。另外，這種電路的功耗也比較大。然而，其成本比較低并且結構簡單，可以作為一種應急的方案。對于低功耗的系統和對電源要求高的系統，不適合采用這種方案。
2．2 直接采用電源模塊
考慮到開關電源設計的復雜性，一些公司如Agere(原來朗訊的微電子部)、Ericsson、Vicor等，推出了基于開關電源技術的低電壓輸出電源模塊。這些模塊可靠性和效率都很高，電磁輻射小，而且許多模塊還可以實現電源隔離。這些電源模塊使用方便，只需增加很少的外圍元件，但是價格比較昂貴。
2．3 利用線性穩(wěn)壓電源轉換芯片
線性穩(wěn)壓芯片是一種最簡單的電源轉換芯片，基本上不需要外圍元件。但是傳統的線性穩(wěn)壓器，如LM317，要求輸入電壓比輸出電壓高2V或者更大，否則就不能夠正常工作。因此對于5V的輸入，輸出并不能夠達到3．3V。面對低電源的需求，許多電源芯片公司推出了低電壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)。這種電源芯片的壓差只有1．3V-0．2V，可以實現5V轉3．3V／2．5V，或者3．3V轉2．5V／1．8V等要求。LDO所需的外圍器件數目少，使用方便、成本較低、紋波小、無電磁干擾。例如，TI公司的TPS73xx系列就是TI公司為配合DSP而設計的電源轉換芯片，其輸出電流可以達到500mA，且接口電路非常簡單，只需接上必要的外圍電阻，就可以實現電源轉換。該系列分為固定電壓輸出的芯片和可調電壓輸出的芯片。但這種芯片通常效率不是很高，而且功耗比較大。
采用何種電源設計方案，取決于系統的具體要求。通常，小功率或對電源效率要求較低的時候，可以采用LDO。但是對于大功率或對電源效率要求較高的時候，則應該使用電源模塊。TMS320LF2407A的特點之一就是低電壓工作，其功耗也比較低，所以采用TI公
司的TPS73xx系列比較合適。其中，TPS7333是一種固定輸出3．3V電壓的電源轉換芯片，正好適合TMS320LF2407A的電源需要。
3 邏輯接口設計
由于TMS320LF2407A的引進，不同電壓的邏輯系統將共存于同一個電路板中，譬如在同一電路板中存在3．3V和5V兩種邏輯系統。因此，在設計邏輯器件之間的接口時，采用適當的方法，可以避免不同電壓的邏輯器件接口時出現問題，從而保證所設計的電路數據傳輸的可靠性。
3．1 邏輯電平不同時接口出現的問題
在混合電壓系統中，不同電源電壓的邏輯器件相互接口時會存在以下三個主要問題：加到輸入或輸出引腳上允許的最大電壓的限制問題；兩個電源間電流的互串問題；必須滿足的輸入轉換門限問題。
器件對加到輸入腳或輸出腳的電壓通常是有限制的。這些引腳由二極管或分位元件接到Vcc。如果接入的電壓過高，電流將會。通過二極管或分位元件流向電源。例如，3．3V器件的輸入端接上5V信號，則5V電源將會向3．3V電源充電，持續(xù)的電流將會損壞二極管和電路元件。
在等待或掉電方式時，3．3V電源電壓降到0V，大電流將流通到地，這使總線上的高電平被下拉到地，這些情況將引起數據丟失和元件損壞。必須注意的是：不管是在3．3V的工作狀態(tài)或是0V的等待狀態(tài)，都不允許電流流向Vcc。
另外，用5V的器件驅動3．3V的器件會有很多種不同情況，而且TTL和CMOS間的轉換電平也存在著不同情況。在這些情況下，驅動器必須滿足接收器的輸入轉換電平，并且要有足夠的容限以保證不損壞電路元件。
3．2 3．3V和5V邏輯器件之間的接口
TMS320LF2407A的典型工作電壓是3．3V，其I／O口的電平也是3．3V。在進行外圍接口設計時，如果外圍器件的工作電壓是3．3V，接口電路就比較簡單，可以直接相連。如CYPRESS的CY7C1021BV33是一種64Kxl6的高性能CMOS靜態(tài)RAM，可以直接與TMS320LF2407A相連，對TMS320LF2407A的數據區(qū)進行擴展。
但是，由于現在有許多常用外圍芯片的工作電壓都是5V，如EPROM等，而TMS320LF2407A的I／0工作電壓是3．3V，I／O的電平也是3．3V，因此在TMS320LF2407A和5V的外圍芯片之間就存在著可靠接口的問題。圖2為5V CMOS、5V TTL和3．3V TTL電子的轉換標準。其中，VOH表示輸出高電平的最低電壓，VIH表示輸入高電平的最低電壓，VIL表示輸入低電平的最高電壓，VOL表示輸出低電平的最高電壓。從圖中可以看出5V m和3．3V TYL的轉換標準是一樣的，而5V CMOS的轉換小平是不同的。因此，在將3．3V和5V系統接口時，必別考慮到兩者的不同。
所以，設計3．3V和5V的邏輯器件之間的接口時應考慮以下四種情況：
（1）5V TTL器件驅動3．3V TTL器件(LVC)。由于5VTTL和3．3V TTL的電子標準是一樣的，因此，如果3．3V TTL的器件可以承受5V的電壓，兩種器件之間就可以直金相連，而不需要額外的器件。但是如果3．3VTTL的器件不能承受5V的電壓，則需要添加專門的電路或者器件進行電平轉換，譬如在接口設計中，增加一個額外的二極管來產生0．7V的電壓降。當然，最好的辦法是在兩個器件之間增加一個TI公司的CBT標準的緩沖器，該緩沖器中集成了上述二極管。
(2)5V CMOS器件驅動3．3V TTL器件(LVC)。顯然，兩者的轉換電平是不一樣的。對5V CMOS的VOH和VOL以及3．3V TrL的VIH和VIL做十分析可以得出，雖然兩者存在著一定的差別，但是能夠承受5V電壓的3．3V器件與5V CMOS器件接口時，卻可以正常工作。也就是說，5V CMOS器件可以驅動那些能夠承受5V電壓的3．3V器件。
(3)3．3V TTL器件(LVC)驅動5V TTL器件。由于兩者的轉換電平標準是一樣的，因此兩者相連時，不需要額外的器件。因為5V TTL器件的VIH和VIL電平分別是2V和0．8V，所以只要3．3V器件的VOH和VOL電平分別是2．4V和0．4V，5V TTL器件就可以將輸入電平識別為有效電平。
（4）3．3V TTL器件（LVC）驅動5V CMOS器件。兩者的轉換標準是不一樣的。從圖中可以看到，3．3V器件的VOH為2．4V，而5V CMOS的VIH為3．5V。即使3．3VLVC輸出的電壓達到3．3V，也不能夠滿足5V CMOS的高電平所要求的最小值，所以3．3V TTL器件(LVC)是不能直接驅動5V CMOS器件的。在這種情況下，可以使用TI公司提供的一種驅動器，如SN74ALVCl64245和SN74ALVC245。此類芯片采用雙電壓供電，一邊是3．3V供電，而另一邊是5V供電，因此可以較好地解決3．3V器件和5V CMOS器件之間的電平轉換問題。
3．3 TMS320LF2407A與外圍器件的接口實現
在設計TMS320LF2407A的外圍接口時，首先需要仔細分析TMS320LF2407A以及相關外圍器件的電平轉換標準，這可以從器件的電氣參數表中獲得。TMS320LF2407A、M27C516(EPROM)和80
C250的電平標準。
M27C516是一個32K×l6的EPROM，可使用該器件對TMS320LF2407A的程序區(qū)進行擴展。TMS320LF2407A的VOH和VOL分別為2．4V和0．4V，而M27C516的VIH和VIL分別是2．0V和0．8V，因此從TMS320LF2407A到M27C516的單線控制線和地址線是可以直接相連的。但是LF2407A不能承受5V的電壓，所以從M27C516到TMS320LF2407A的數據線不能夠直接相連。解決的辦法是在中間增加一個緩沖器件，如74ALVCl64245。它采用雙電壓供電，一邊采用3．3V供電，另一邊采用5V供電，因此可將3．3V的電平轉換為5V的電平，相反也可以將5V的電平轉換為3．3V的電平，它可以用作兩個8位總線驅動器或者一個16位總線驅動器。TMS320LF2407A和M27C516通過74LVCl64245的接口示意圖如圖3所示。
總線接口時可以采用增加緩沖器件的方式，但是對于串口的接口，沒有必要增加緩沖器件，可以設計一些簡單的電路來實現，如與82C250的接口。82C250是驅動CAN控制器和物理總線間的接口，提供對總線的差動發(fā)送和接收功能。TMS320LF2407A的VOH是2．4V，而82C250的VIH是3．5V以上，很明顯TMS320LF2407A驅動不了82C250； 同時，82C250的VOH大于4V，而TMS320LF2407A的VIH最大為3．6V，不能承受5V的電壓，因此，在TMS320LF2407A與82C250接口需要增加額外的電平轉換電路。圖4為一個由電阻和二極管組成的電平轉換電路，在CANTX輸出端，增加了一個二極管，從而使TXD接收的電壓提升了0．7V；同時RXD的電平經過了兩個電阻的分壓，使得CANRX接收的電平可以保證在3．3V內。
當然，在CANTX和TXD之間還可以使用74LVC07來實現接口。這是一種簡單的電平移位器件，它使用一個漏極開路的緩沖器去驅動5V CMOS器件的輸入。因此，在CANTX和TXD之間增加一個74LVC07，并在其輸出端可通過上拉電阻接到5V電源上，從而驅動TXD。
5V和3．3V器件甚至更低電壓的器件并存于一個系統中，這種情況已經存在并且還將存在很長一段時間。因此在設計這種混合電壓的系統時，需要仔細分析其中的邏輯器件接口問題。對于TMS320LF2407A來說，它是低電壓的芯片，如果與其它芯片的接口設計不好，不僅無法體現其低功耗的特點，而且會降低數據傳輸的可靠性，甚至會損害芯片。本文中介紹的幾種方法，經實驗驗證具有較高的可靠性。
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