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CPCI
閱讀�12873時間�2010-12-24 11:07:36

  CPCI的全稱為Compact PCI(Compact Peripheral Component Interconnect),中文又稱緊湊型PCI,是國際工業(yè)計算機制造者聯(lián)合會(PCI Industrial Computer ManufeCMrers Group,簡稱PICMG)�1994提出來的一�總線接口標準。是以PCI電氣�(guī)范為標準的高性能工業(yè)用總�。CPCI�CPU及外設同標準PCI是相同的,并且CPCI系統(tǒng)使用與傳�(tǒng)PCI系統(tǒng)相同的芯��防火�和相關軟件。從根本上說,它們是一致的,因此操作系�(tǒng)、驅動和應用程序都感覺不到兩者的區(qū)�,將一個標準PCI插卡轉化成CPCI插卡幾乎不需重新設計,只要物理上重新分配一下即可�

特點

  1.開放的總線技�

  CPCI技術架構在一個更加開�、標準的平臺上,有利于各類系�(tǒng)集成�、設備供應商提供更加便捷快速的增值服�,為用戶提供更高性價比的�(chǎn)品和解決方案�

  2.可靠的歐洲卡結�

  CPCI拋棄PCI的傳�(tǒng)機械結構,改用經(jīng)�20年實踐檢驗了的高可靠歐洲卡結�,改善了散熱條件,提高了抗振動沖擊能�,符合電磁兼容性要��

  3.靈活的連接方式

  CPCI拋棄了IPC的金手指式互連方式,改用歐式連接�(�2 mm密度的針孔連接�),具有氣密性、防腐�、可靠�、高負載能力,為�(xiàn)代系列設計提供了無可比擬的性能和靈活��

  4.高效的熱插拔技�

  CPCI技術中最突出、吸引力的特點是熱插�(Hot Swap)。簡言�,就是在運行系統(tǒng)沒有斷電的條件下,拔出或插入功能模板,而不破壞系統(tǒng)的正常工作的一種技術。它的實�(xiàn)是:在結構上采用三種不同長度的引腳插�,使得模板插入或拔出時,電源和接�、PCI總線信號、熱插拔啟動信號按序進行�

用�

  CPCI的出�(xiàn)不僅讓諸如CPU、硬盤等許多原先基于PC的技術和成熟�(chǎn)品能夠延�(xù)應用,也由于在接口等地方做了重大改�,使得采用CPCI技術的服務�、工控電腦等擁有了高可靠性、高密度的優(yōu)�。CPCI是基于PCI電氣�(guī)范開�(fā)的高性能工業(yè)總線,適用于3U�6U高度的電路插板設�。CPCI電路插板從前方插入機柜,I/O�(shù)�(jù)的出口可以是前面板上的接口或者機柜的背板。它的出�(xiàn)解決了多年來電信系統(tǒng)工程師與設備制造商面臨的棘手問�,比如傳�(tǒng)電信設備總線VME(Versa Module Euro card)與工�(yè)標準PCI(Peripheral Component Interconnect)總線不兼容問��

關于市場

  CPCI�(chǎn)品在國內(nèi)�(fā)展很�,有自主�(chǎn)品的廠家已經(jīng)�(fā)展到�(shù)十家,其中凌華科技為工�(yè)自動化產(chǎn)�(yè)提供了從CPU主板、機�、電源到I/O的全系列完整解決方案。此�,還有研�、致茂科技、北京康拓科技集團、七—六所、七0七所、電子部上海32所等廠�,都可以研制和生�(chǎn)具有核心技術的系統(tǒng)平臺�(chǎn)品�

基于嵌入式系�(tǒng)的電源設�

  1 引言

  嵌入式系�(tǒng)廣泛應用于控制和通信領域。而這些系統(tǒng)運行速度�,系�(tǒng)較復�,常常集成超大規(guī)模FPGA器件、DSP器件、DDR存儲器以及各種接口電�。這對電源的輸出電壓值、功�、電壓精度、上電順序以及電源完整性提出更高的要求。這里介紹一種基于CPCI的嵌入式單板計算機電源的設計方案。該設計主要應用于航空設備和軍用車載設備�

  2 系統(tǒng)電源需求分析與器件造型

  �1為系�(tǒng)整體結構框圖。該系統(tǒng)由CPU和與其相連的DDR儲存�、PCI接口、時�、電源、EBC總線以及外部接口電路組成。CPU采用AMCC公司的PowerPC 440EPx�

系統(tǒng)整體結構框圖

  2�1 系統(tǒng)電源需�

  該系�(tǒng)電源較復�,有多達8種不同的電源電壓值,其中5 V�3�3 V由CPCI機箱提供�5 V供給DC/DC器件降壓以產(chǎn)生其他電源電�,同時給1553總線的變壓器供電�3�3 V是系�(tǒng)主電�,包括USB PHY、時鐘器件、FPGA和CPU以及PCI橋器�(PLX6466)的I/O部分�。其他電源電壓都是由5V�3�3 V�(jīng)電源器件降壓得到�

  �1�2分別為CPU和PCI橋器件的功耗需�,CPU器件對上電順序沒有要�。其中VDD 1�5 V是PPC440EPx的內(nèi)核電壓,SOVDD是CPU的DDR2接口電源�1�8 V為PCI橋的�(nèi)核電�,VDDIO是PCI橋的接口電源�

CPU和PCI橋器件的功耗需求

  該系�(tǒng)采用DDR2作為�(nèi)�,使�4片Micron公司的MT47H64M16,容量為512 MB。每片DDR2器件的內(nèi)核、接口和DLL的電源電壓都�1�8 V,電流為440 mA。另外需特別注意DDR2的VREF以及地址和控制信號的端口接電壓VTT,其電壓值都�0�9 V。其�,VREF對容差的要求非常嚴格(小于2�),不過其對電流的要求較小。而對VTT不僅有嚴格的容差要求,而且還要求其能在瞬間輸出或吸收很大的電流。同時,VREF岍要隨著VDD的變化而變�,VTT也要跟蹤VREF的變化。通常的LDO難以完成這樣的工�,必須采用專用的DDR端接電源器件�

  該系�(tǒng)使用Spartan3型FPGA器件XC3S200實現(xiàn)1553收發(fā)器以及一些接口電路的設計。該器件使用3個電壓內(nèi)核電壓VCCINT(1�2 V),輔助電壓VCCAUX(2�5 V)以及接口電壓VCCO(3�3 V)。FPGA�(nèi)部有上電復位電路,只有當�3個電源信號都達到各自門限電�,才釋放該復位信�。因�,對�3個電源信號的上電順序沒有要求。不�,如� VCCINT先于VCCAUX上電,則會在上電時額外增加幾百毫安的瞬時電流。估計FPGA器件功耗可采用基于電子�(shù)�(jù)表的工具XPower  Estimator(XPE)或在ISE下直接調用XPower。系�(tǒng)利用XPower軟件估計出該設計功耗需求:VCCINT�50 mA,VCCAUX�10 mA。系�(tǒng)使用兩片88E1111作為千兆以太�(wǎng)的PHY器件,該器件�2�5 V為砌電壓(410 mA)�1�0 V為內(nèi)核電�(250 mA)。除上述集成電路外,系統(tǒng)還有諸如串行接口、USB接口、時鐘等電路,但功耗都較低。從分析可知�1�5 V�1�8 V需要使用大功率的電源器�,DDR2的電源需要專用的電源器件,其他電壓的功率要求較小�

  2�2 電源器件選型

  電源器件主要分為線性穩(wěn)壓器和DC/DC轉換器兩大類型。LDO屬于線性穩(wěn)壓器主要應用于輸人和輸出壓差較小的場�,其特點是:成本低、噪音低、靜�(tài)電流�、需外接元件�,但其轉換效率不是很�,且輸出電流一般不是很大。DC/DC轉換器的轉換效率�、輸出大電流、靜�(tài)電流�。但由于采用PWM控制,其開關噪音較大,成本也相對較高。且外接電路較復�,一般都需外接開關管、電感及電容。許多新� DC/DC將開關管集成到器件內(nèi)部.因此只需外接電感和濾波電容�

  根據(jù)電源器件的特�,以及對系統(tǒng)電源需求的分析,這兩種類型的電源器件在該系統(tǒng)都得到使�。但為簡化設計、便于批量生�(chǎn)和物料管�,該系統(tǒng)只使�3個不同型號的電源器件,分別是:LT3501、LDO器件TPS51100和TPS74801。其中,功耗需求較大的1�5 V�1�8 V電源電路采用LT3501實現(xiàn);DDR2的端接電源和參考電源由器件TPS51100提供;系�(tǒng)的其他電源由TPS74801提供�

  3 系統(tǒng)硬件電路設計

  由于LDO電路簡單及篇幅原�,這里重點討論LT3501的電路設�,圖2為LT3501的電路原理圖�

LT3501的電路原理圖

  3�1 參數(shù)配置

  3�1�1 輸出電壓

  輸出電壓值的選擇較簡�,由連接在VOUT和VFR間的2只電阻分壓得到。其公式為:

  �2�,分壓電阻為2只精度為1%的電阻R680和R682(分別對應R1,R2),代入式(1),計算其輸出電壓VOUT=1�495 V�

  3�1�2 開關頻率

  LT3501的開關頻率由連接在RT/SYNC引腳上的電阻決定,如�3所�。當電阻�15�4 kΩ增加�133 kΩ時,其開關頻率從1�5 MHz減小�250 kHz。為減小外連的電感和電容的尺寸,便于PCB設計,開關頻率選擇較高的f=1�2 MHz。則根據(jù)�3所示曲�,其電阻值為20�6 kΩ�

  3�1�3 電感�

  對于開關電源,電感的取值非常重�。根�(jù)LT3501的數(shù)�(jù)手冊公式�

  式中,DC指占空比,其最小值DCMIN=tON(MIN)×f=0�24。VD是捕捉二極管的正向壓�,其值約�0�4 V�

  假如輸出電流需3 A,由�(2)可計算電感L至少�1�2μH�

  為提高效率,減小輸出紋波,要求電感:額定電流的有效值應大于負載電流;同時其飽和電流值應大于30�;直流電阻值應小于0�05 Ω,其電感值應大于理論�。據(jù)�,系�(tǒng)選擇PB03316-1R5MT,該電感的電感值為1�5μH,直流電阻為0�010Ω,額定電流有效值為8�0 A,飽和電流為* A。選定電感值后,就可將其代入式(2)計算紋波電流△IL�0�8 A�

  3�1�4 輸入電容和輸出電�

  由于開關電源的輸入是以脈沖形式為輸出提供電流,并且其上升和下降時間非?�?�

  因此。需用輸入電容濾出電壓紋�,以減小EMI。并可使�4�7μF或更大的X7R或X5R型電容旁路輸入信號,也可使用鉭電容和較小容量的陶瓷電容并�(lián)來實�(xiàn)。陶瓷電容應盡可能靠近器件的輸入引腳�

  輸出電容濾波流過電感的電�,以得到紋波很小的輸出電�。同�,其儲能功能還可滿足瞬間負載,并�(wěn)定LT3501的控制環(huán)�。LT3501的控制環(huán)路采用電流模�,對輸出電容的RESR(串連等效電�)沒有要求�

  因此,可以采用陶瓷電容來作輸出電�。輸出電容的值可以根�(jù)�(3)估算。其中MLS(Max Load Step)為電流負載的跳變,例如:該系�(tǒng)MLS�3A�

  輸出電壓的紋波可按式(4)�(5)估算:式(4)計算陶瓷電容,式(5)計算鉭電容或鋁電解電容。系�(tǒng)采用溫度特性較好的X7R型陶瓷電容與鉭電容并�(lián)。利用式(4)計算出紋波電壓約0�56 mV,滿足CPU和其他電路對電源紋波的要��

  3�2 PCB布局

  對于開關電源,PCB的布局非常重要。當開關電源工作�,電路的部分支路存在很大的階躍電流。該電流主要在器件內(nèi)部的開關�、外面的�(huán)流二極管和輸入電容之間流動。由這些元件構成的環(huán)路應盡可能的�。在布局時,這些器件以及電感和輸出電容應該布局在電路板的同一�,其連線也盡可能在同一層完成。在這些元件的下�,有一塊連續(xù)的局部地。該局部地與系�(tǒng)地的連接采用單點連接方法,連接點選在輸出電容的接地�。另�,SW和BST信號的布線要盡可能的短� LT3501器件的底部有裸露的leadframe,該結構散熱良好。在設計PCB�??稍谄骷撞康膶恢梅乓粔K覆銅,并通過多個過孔與�(nèi)層的大面積覆銅連接�

  4 結論

  分析該系�(tǒng)的功�,在考慮一定冗余的基礎上,利用3種電源器件設計該嵌入式系�(tǒng)的電源電�。并使用MAX705電源.件提高系�(tǒng)的可靠�。該系統(tǒng)已成功在多個實際應用中得到驗證,并且表�(xiàn)良好�

維庫電子通,電子知識,一查百��

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