1．开放的总线技术

　　CPCI技术架构在一个更加开放、标准的平台上，有利于各类系统集成商、设备供应商提供更加便捷快速的增值服务，为用户提供更高性价比的产品和解决方案。

　　2．可靠的欧洲卡结构

　　CPCI抛弃PCI的传统机械结构，改用经过20年实践检验了的高可靠欧洲卡结构，改善了散热条件，提高了抗振动冲击能力，符合电磁兼容性要求。

　　3．灵活的连接方式

　　CPCI抛弃了IPC的金手指式互连方式，改用欧式连接器(即2 mm密度的针孔连接器)，具有气密性、防腐性、可靠性、高负载能力，为现代系列设计提供了无可比拟的性能和灵活性。

　　4．高效的热插拔技术

　　CPCI技术中最突出、吸引力的特点是热插拔(Hot Swap)。简言之，就是在运行系统没有断电的条件下，拔出或插入功能模板，而不破坏系统的正常工作的一种技术。它的实现是：在结构上采用三种不同长度的引脚插针，使得模板插入或拔出时，电源和接地、PCI总线信号、热插拔启动信号按序进行。

　　CPCI的出现不仅让诸如CPU、硬盘等许多原先基于PC的技术和成熟产品能够延续应用，也由于在接口等地方做了重大改进，使得采用CPCI技术的服务器、工控电脑等拥有了高可靠性、高密度的优点。CPCI是基于PCI电气规范开发的高性能工业总线，适用于3U和6U高度的电路插板设计。CPCI电路插板从前方插入机柜，I/O数据的出口可以是前面板上的接口或者机柜的背板。它的出现解决了多年来电信系统工程师与设备制造商面临的棘手问题，比如传统电信设备总线VME(Versa Module Euro card)与工业标准PCI(Peripheral Component Interconnect)总线不兼容问题。

　　CPCI产品在国内发展很快，有自主产品的厂家已经发展到数十家，其中凌华科技为工业自动化产业提供了从CPU主板、机箱、电源到I／O的全系列完整解决方案。此外，还有研华、致茂科技、北京康拓科技集团、七—六所、七0七所、电子部上海32所等厂商，都可以研制和生产具有核心技术的系统平台产品。

　　1 引言

　　嵌入式系统广泛应用于控制和通信领域。而这些系统运行速度高，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。

　　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。

　　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，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。

　　2．2 电源器件选型

　　电源器件主要分为线性稳压器和DC／DC转换器两大类型。LDO属于线性稳压器主要应用于输人和输出压差较小的场合，其特点是：成本低、噪音低、静态电流小、需外接元件少，但其转换效率不是很高，且输出电流一般不是很大。DC／DC转换器的转换效率高、输出大电流、静态电流小。但由于采用PWM控制，其开关噪音较大，成本也相对较高。且外接电路较复杂，一般都需外接开关管、电感及电容。许多新型 DC／DC将开关管集成到器件内部．因此只需外接电感和滤波电容。

　　根据电源器件的特点，以及对系统电源需求的分析，这两种类型的电源器件在该系统都得到使用。但为简化设计、便于批量生产和物料管理，该系统只使用3个不同型号的电源器件，分别是：LT3501、LDO器件TPS51100和TPS74801。其中，功耗需求较大的1．5 V和1．8 V电源电路采用LT3501实现；DDR2的端接电源和参考电源由器件TPS51100提供；系统的其他电源由TPS74801提供。

　　3 系统硬件电路设计

　　由于LDO电路简单及篇幅原因，这里重点讨论LT3501的电路设计，图2为LT3501的电路原理图。

　　3．1 参数配置

　　3．1．1 输出电压

　　输出电压值的选择较简单，由连接在VOUT和VFR间的2只电阻分压得到。其公式为：

　　图2中，分压电阻为2只精度为1％的电阻R680和R682(分别对应R1，R2)，代入式(1)，计算其输出电压VOUT=1．495 V。

　　3．1．2 开关频率

　　LT3501的开关频率由连接在RT／SYNC引脚上的电阻决定，如图3所示。当电阻从15．4 kΩ增加到133 kΩ时，其开关频率从1．5 MHz减小到250 kHz。为减小外连的电感和电容的尺寸，便于PCB设计，开关频率选择较高的f=1．2 MHz。则根据图3所示曲线，其电阻值为20．6 kΩ。

　　3．1．3 电感值

　　对于开关电源，电感的取值非常重要。根据LT3501的数据手册公式：

　　式中，DC指占空比，其最小值DCMIN=tON(MIN)×f=0．24。VD是捕捉二极管的正向压降，其值约为0．4 V。

　　假如输出电流需3 A，由式(2)可计算电感L至少为1．2μH。

　　为提高效率，减小输出纹波，要求电感：额定电流的有效值应大于负载电流；同时其饱和电流值应大于30％；直流电阻值应小于0．05 Ω，其电感值应大于理论值。据此，系统选择PB03316-1R5MT，该电感的电感值为1．5μH，直流电阻为0．010Ω，额定电流有效值为8．0 A，饱和电流为* A。选定电感值后，就可将其代入式(2)计算纹波电流△IL为0．8 A。

　　3．1．4 输入电容和输出电容

　　由于开关电源的输入是以脉冲形式为输出提供电流，并且其上升和下降时间非常快。

　　因此。需用输入电容滤出电压纹波，以减小EMI。并可使用4．7μF或更大的X7R或X5R型电容旁路输入信号，也可使用钽电容和较小容量的陶瓷电容并联来实现。陶瓷电容应尽可能靠近器件的输入引脚。

　　输出电容滤波流过电感的电流，以得到纹波很小的输出电压。同时，其储能功能还可满足瞬间负载，并稳定LT3501的控制环路。LT3501的控制环路采用电流模式，对输出电容的RESR(串连等效电阻)没有要求。

　　因此，可以采用陶瓷电容来作输出电容。输出电容的值可以根据式(3)估算。其中MLS(Max Load Step)为电流负载的跳变，例如：该系统MLS为3A。

　　输出电压的纹波可按式(4)和(5)估算：式(4)计算陶瓷电容，式(5)计算钽电容或铝电解电容。系统采用温度特性较好的X7R型陶瓷电容与钽电容并联。利用式(4)计算出纹波电压约0．56 mV，满足CPU和其他电路对电源纹波的要求。

　　3．2 PCB布局

　　对于开关电源，PCB的布局非常重要。当开关电源工作时，电路的部分支路存在很大的阶跃电流。该电流主要在器件内部的开关管、外面的环流二极管和输入电容之间流动。由这些元件构成的环路应尽可能的小。在布局时，这些器件以及电感和输出电容应该布局在电路板的同一层，其连线也尽可能在同一层完成。在这些元件的下面，有一块连续的局部地。该局部地与系统地的连接采用单点连接方法，连接点选在输出电容的接地端。另外，SW和BST信号的布线要尽可能的短。 LT3501器件的底部有裸露的leadframe，该结构散热良好。在设计PCB时。可在器件底部的对应位置放一块覆铜，并通过多个过孔与内层的大面积覆铜连接。

　　4 结论

　　分析该系统的功耗，在考虑一定冗余的基础上，利用3种电源器件设计该嵌入式系统的电源电路。并使用MAX705电源.件提高系统的可靠性。该系统已成功在多个实际应用中得到验证，并且表现良好。