摘  要: 介绍了TMS320LF2407A在混合电压系统中的设计。首先对TMS320LF2407A做了简单的介绍,然后阐述了TMS320LF2407A的电源问题以及与5V器件接口时存在的逻辑电平不匹配问题,分析了产生这些问题的原因,并给出了相应的解决方案。 

    关键词: 逻辑电平  DSP控制器  电源  接口

    随着便携式数字电子产品、数字式移动电话、手持式测试仪表等的迅速发展,要求使用体积小、功耗低、电池耗电小的器件,从而使得集成电路的工作电压" title="工作电压">工作电压已经从5V降到3.3V甚至更低,例如2.5V和1.8V。但是目前仍有许多5V电源的逻辑器件" title="逻辑器件">逻辑器件和数字器件可用,因此在许多设计中将会有3.3V逻辑器件和5V逻辑器件共存,而且不同的电源电压在同一电路板中混用。随着更低电压" title="低电压">低电压标准的引进,混合电压的系统将会代替单电压系统,并会在很长时间内存在。 

1 TMS320LF2407A概述 

    TMS320LF2407A是TI公司推出的一款定点DSP控制器,它采用了高性能静态CMOS技术,使得供电电压降为3.3V,减小了控制器的功耗;40MIPS的执行速度使得指令周期缩短到25ns(40MHz),从而提高了控制器的实时控制能力;集成了32K字的闪存(可加密)、2.5K的RAM、500ns转换时间的A/D转换器,片上事件管理器提供了可以满足各种电机的PWM接口和I/O功能,此外还提供了适用于工业控制领域的一些特殊功能,如看门狗电路、SPI、SCI和CAN控制器等,从而使它可广泛应用于工业控制领域。 

    然而,在实际的应用系统中,还需要对TMS320LF 2407A进行必要的外围扩展,譬如程序区和数据区的扩展、CAN的驱动等,以满足整个应用系统的实际需要。 

2 电源设计 

    TMS320LF2407A的工作电压是3.3V,而目前许多常用外围器件的主要工作电源通常是5V,因此以TMS320LF2407A为核心所构成的应用系统必然是一个混合电压系统。与完全的3.3V系统相比较,混合电压系统由于低电压器件的缺乏,显然有不少缺点。其中一个主要缺点就是对多电源的要求,一个典型的系统需要3V、5V、+12V/-12V,甚至更高的电压。设计的一个目标就是减少所需电源的数目,并减少产生这些电源电压所需器件的数目。为了减少多电源所需的额外器件的数目,不少厂家提供了产生多种电压的芯片。同时,随着技术的不断进步,将会出现更多的低电压器件,从而逐渐消除对多电源的要求和产生这些电源的花费和复杂性。 

    对于TMS320LF2407A应用系统而言,首先要解决TMS320LF2407A的电源问题。解决3.3V电源通常有以下几种方案。 

2.1 电阻分压 

    利用电阻分压的方法比较简单,其原理如图1所示。但是,该电路实际的输出电压显然要小于3.3V,并且随着负载的变化,输出电压也会产生波动。另外,这种电路的功耗也比较大。然而,其成本比较低并且结构简单,可以作为一种应急的方案。对于低功耗的系统和对电源要求高的系统,不适合采用这种方案。 

2.2 直接采用电源模块 

    考虑到开关电源设计的复杂性,一些公司如Agere(原来朗讯的微电子部)、Ericsson、Vicor等,推出了基于开关电源技术的低电压输出电源模块。这些模块可靠性和效率都很高,电磁辐射小,而且许多模块还可以实现电源隔离。这些电源模块使用方便,只需增加很少的外围元件,但是价格比较昂贵。 

2.3 利用线性稳压电源转换芯片 

    线性稳压芯片是一种最简单的电源转换芯片,基本上不需要外围元件。但是传统的线性稳压器,如LM317,要求输入电压比输出电压高2V或者更大,否则就不能够正常工作。因此对于5V的输入,输出并不能够达到3.3V。面对低电源的需求,许多电源芯片公司推出了低电压差线性稳压器(LDO)。这种电源芯片的压差只有1.3V-0.2V,可以实现5V转3.3V/2.5V,或者3.3V转2.5V/1.8V等要求。LDO所需的外围器件数目少,使用方便、成本较低、纹波小、无电磁干扰。例如,TI公司的TPS73xx系列就是TI公司为配合DSP而设计的电源转换芯片,其输出电流可以达到500mA,且接口电路非常简单,只需接上必要的外围电阻,就可以实现电源转换。该系列分为固定电压输出的芯片和可调电压输出的芯片。但这种芯片通常效率不是很高,而且功耗比较大。 

    采用何种电源设计方案,取决于系统的具体要求。通常,小功率或对电源效率要求较低的时候,可以采用LDO。但是对于大功率或对电源效率要求较高的时候,则应该使用电源模块。TMS320LF2407A的特点之一就是低电压工作,其功耗也比较低,所以采用TI公司的TPS73xx系列比较合适。其中,TPS7333是一种固定输出3.3V电压的电源转换芯片,正好适合TMS320LF2407A的电源需要。 

3 逻辑接口设计 

    由于TMS320LF2407A的引进,不同电压的逻辑系统将共存于同一个电路板中,譬如在同一电路板中存在3.3V和5V两种逻辑系统。因此,在设计逻辑器件之间的接口时,采用适当的方法,可以避免不同电压的逻辑器件接口时出现问题,从而保证所设计的电路数据传输的可靠性。 

3.1 逻辑电平不同时接口出现的问题 

    在混合电压系统中,不同电源电压的逻辑器件相互接口时会存在以下三个主要问题:加到输入或输出引脚上允许的最大电压的限制问题;两个电源间电流的互串问题;必须满足的输入转换门限问题。 

    器件对加到输入脚或输出脚的电压通常是有限制的。这些引脚由二极管或分位元件接到Vcc。如果接入的电压过高,电流将会通过二极管或分位元件流向电源。例如,3.3V器件的输入端接上5V信号,则5V电源将会向3.3V电源充电,持续的电流将会损坏二极管和电路元件。 

    在等待或掉电方式时,3.3V电源电压降到0V,大电流将流通到地,这使总线上的高电平被下拉到地,这些情况将引起数据丢失和元件损坏。必须注意的是:不管是在3.3V的工作状态或是0V的等待状态,都不允许电流流向Vcc。 

    另外,用5V的器件驱动3.3V的器件会有很多种不同情况,而且TTL和CMOS间的转换电平" title="转换电平">转换电平也存在着不同情况。在这些情况下,驱动器必须满足接收器的输入转换电平,并且要有足够的容限以保证不损坏电路元件。 

3.2 3.3V和5V逻辑器件之间的接口 

    TMS320LF2407A的典型工作电压是3.3V,其I/O口的电平也是3.3V。在进行外围接口设计时,如果外围器件的工作电压是3.3V,接口电路就比较简单,可以直接相连。如CYPRESS的CY7C1021BV33是一种64K×16的高性能CMOS静态RAM,可以直接与TMS320LF2407A相连,对TMS320LF2407A的数据区进行扩展。 

    但是,由于现在有许多常用外围芯片的工作电压都是5V,如EPROM等,而TMS320LF2407A的I/O工作电压是3.3V,I/O的电平也是3.3V,因此在TMS320LF2407A和5V的外围芯片之间就存在着可靠接口的问题。图2为5V CMOS、5V TTL和3.3V TTL电平的转换标准。其中,V_OH表示输出高电平的最低电压,V_IH表示输入高电平的最低电压,V_IL表示输入低电平的最高电压,V_OL表示输出低电平的最高电压。从图中可以看出5V TTL和3.3V TTL的转换标准是一样的,而5V CMOS的转换电平是不同的。因此,在将3.3V和5V系统接口时,必须考虑到两者的不同。 

    所以,设计3.3V和5V的逻辑器件之间的接口时应考虑以下四种情况: 

    (1)5V TTL器件驱动3.3V TTL器件(LVC)。由于5V TTL和3.3V TTL的电平标准是一样的,因此,如果3.3V TTL的器件可以承受5V的电压,两种器件之间就可以直接相连,而不需要额外的器件。但是如果3.3V TTL的器件不能承受5V的电压,则需要添加专门的电路或者器件进行电平转换" title="电平转换">电平转换,譬如在接口设计中,增加一个额外的二极管来产生0.7V的电压降。当然,最好的办法是在两个器件之间增加一个TI公司的CBT标准的缓冲器,该缓冲器中集成了上述二极管。 

    (2)5V CMOS器件驱动3.3V TTL器件(LVC)。显然,两者的转换电平是不一样的。对5V CMOS的VOH和VOL以及3.3V TTL的VIH和VIL做一分析可以得出,虽然两者存在着一定的差别,但是能够承受5V电压的3.3V器件与5V CMOS器件接口时,却可以正常工作。也就是说,5V CMOS器件可以驱动那些能够承受5V电压的3.3V器件。 

    (3)3.3V TTL器件(LVC)驱动5V TTL器件。由于两者的转换电平标准是一样的,因此两者相连时,不需要额外的器件。因为5V TTL器件的V_IH和V_IL电平分别是2V和0.8V,所以只要3.3V器件的V_OH和V_OL电平分别是2.4V和0.4V,5V TTL器件就可以将输入电平识别为有效电平。 

    (4)3.3V TTL器件(LVC)驱动5V CMOS器件。两者的转换标准是不一样的。从图中可以看到,3.3V器件的V_OH为2.4V,而5V CMOS的V_IH为3.5V。即使3.3V LVC输出的电压达到3.3V,也不能够满足5V CMOS的高电平所要求的最小值,所以3.3V TTL器件(LVC)是不能直接驱动5V CMOS器件的。在这种情况下,可以使用TI公司提供的一种驱动器,如SN74ALVC164245和SN74ALVC245。此类芯片采用双电压供电,一边是3.3V供电,而另一边是5V供电,因此可以较好地解决3.3V 器件和5V CMOS器件之间的电平转换问题。 

3.3 TMS320LF2407A与外围器件的接口实现 

    在设计TMS320LF2407A的外围接口时,首先需要仔细分析TMS320LF2407A以及相关外围器件的电平转换标准,这可以从器件的电气参数表中获得。TMS320LF2407A、M27C516(EPROM)和80C250的电平标准如表1所示。 

    M27C516是一个32K×16的EPROM,可使用该器件对TMS320LF2407A的程序区进行扩展。从表1中可以看到,TMS320LF2407A的V_OH和V_OL分别为2.4V和0.4V,而M27C516的V_IH和V_IL分别是2.0V和0.8V,因此从TMS320LF2407A到M27C516的单线控制线和地址线是可以直接相连的。但是LF2407A不能承受5V的电压,所以从M27C516到TMS320LF2407A的数据线不能够直接相连。解决的办法是在中间增加一个缓冲器件,如74ALVC164245。它采用双电压供电,一边采用3.3V供电,另一边采用5V供电,因此可将3.3V的电平转换为5V的电平,相反也可以将5V的电平转换为3.3V的电平,它可以用作两个8位总线驱动器或者一个16位总线驱动器。TMS320LF2407A和M27C516通过74LVC164245的接口示意图如图3所示。 

    总线接口时可以采用增加缓冲器件的方式,但是对于串口的接口,没有必要增加缓冲器件,可以设计一些简单的电路来实现,如与82C250的接口。82C250是驱动CAN控制器和物理总线间的接口,提供对总线的差动发送和接收功能,其电平转换标准如表1所示。TMS320LF2407A的V_OH是2.4V,而82C250的V_IH是3.5V以上,很明显TMS320LF2407A驱动不了82C250;同时,82C250的V_OH大于4V,而TMS320LF2407A的V_IH最大为3.6V,不能承受5V的电压,因此,在TMS320LF2407A与82C250接口需要增加额外的电平转换电路。图4为一个由电阻和二极管组成的电平转换电路,在CANTX输出端,增加了一个二极管,从而使TXD接收的电压提升了0.7V;同时RXD的电平经过了两个电阻的分压,使得CANRX接收的电平可以保证在3.3V内。 

    当然,在CANTX和TXD之间还可以使用74LVC07来实现接口。这是一种简单的电平移位器件,它使用一个漏极开路的缓冲器去驱动5V CMOS器件的输入。因此,在CANTX和TXD之间增加一个74LVC07,并在其输出端可通过上拉电阻接到5V电源上,从而驱动TXD。 

    5V和3.3V器件甚至更低电压的器件并存于一个系统中,这种情况已经存在并且还将存在很长一段时间。因此在设计这种混合电压的系统时,需要仔细分析其中的逻辑器件接口问题。对于TMS320LF2407A来说,它是低电压的芯片,如果与其它芯片的接口设计不好,不仅无法体现其低功耗的特点,而且会降低数据传输的可靠性,甚至会损害芯片。本文中介绍的几种方法,经实验验证具有较高的可靠性。 

参考文献 

1 刘和平.TMS320LF240x DSP结构、原理及应用. 北京: 北京航天航空大学出版社,2002.4 

2 Low-voltage Logic(LVC) Designer’s Guide. Texas Instruments,1996.6 

3 PCA82C250 CAN Controller Interface. Philips Semiconductors, 2000.1 

4 M27C516 Data Book. ST, 2000.9 

5 Low Voltage Embedded Design. Intel, 1993.2