数字集群基带板的电源模块设计与实现*

谭大伦，孟祥亮，李艳萍

(广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663)



数字集群基带板的电源模块设计与实现*

谭大伦，孟祥亮，李艳萍

(广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663)

基于QorIQ P1022处理器为平台的数字集群通信基带板，电源模块采用LDO芯片和开关电源芯片搭配的设计方案，借助MSP430F149单片机，实现具有实时电压采集、处理、监控以及管理的功能。满足系统对CPU、DSP、FPGA核心芯片的内核电压、外围I/O管脚及其它辅助设备的供电顺序要求。整个设计提高了基带板上电可靠性、监控实时性，同时提升维护效率、降低生产成本，以产生一定经济效益。

电源模块；电源监控；数字集群；基带板

0 引 言

随着无线高速业务的飞速发展，军用集群设备对宽带业务的需求也日益显著，集群通信指挥调度系统也向数据宽带化、业务多样化、终端多模化、系统IP化的发展方向迈进。这就对集群通信系统中基带板的带宽和处理能力提出高要求，要保证基带板持久稳定工作，供电系统就至关重要。如果基带板的电源发生故障而不能及时发现处理，将会造成整个系统的局部瘫痪甚至崩溃。为保证整个通信电台[1]的畅通，提高电源运行的可靠性，对供电系统运行状况的监控也十分重要。

1 电源方案

基带板硬件平台核心框架采用CPU+DSP+FPGA架构。其中CPU采用Freescale公司PowerPC QorIQ系列的P1022芯片，DSP采用TI公司的TMS320C6727芯片，FPGA采用Xilinx公司Spartan-6系列的XS6SLX150芯片。整个硬件平台上需要5 V、3.3 V、1.8 V、1.5 V、1.2 V、1.0 V等工作电压，电源模块的供电精度将直接影响芯片的工作稳定性，需要对电源集中统一的监控管理。

数字集群基带板中包含了CPU、DSP、FPGA3个内核电压，内核电压和外围I/O电压的供电有严格的时序关系[2]：工作时一定要先对内核供电，再对外围I/O供电，只有这样才不会对系统造成影响；反之，则芯片缓冲/驱动部分的三极管将工作在未知状态，轻的系统不能启动，严重的甚至损坏芯片。本文提出具有监控管理、自保护功能的电源模块解决了上述问题，并能及时预警、指示具体故障位置，可以远程监控电源工作情况，保证基站的顺利运行。

1.1 供电要求

本次设计的供电系统由4个DC-DC芯片、2个LDO芯片、电源热插拔控制器、防雷击和防浪涌电路(采用国际经典的TVS管)组成。12 V电源，通过自恢复型保险丝和π型滤波器电路送到热插拔控制器，经过TI公司的PTH12000W/L芯片产生5 V电源，具体的电源供电框图如图1所示。

图1 电源供电

图1可以看出，整个系统的功耗非常大，特别是CPU的内核完全工作时达到3.7 W。电源芯片应首选开关电源芯片、小功耗选择LDO电源芯片，其中π型滤波器电路可以防止板内电源的噪声通过电源平面的传导影响基带板的性能参数，热插拔控制器能合理控制浪涌电流，在正常工作过程中避免短路和过流，让基带板在不影响相邻模块正常工作的条件下被转移和替换。

1.2 电源监控介绍

电源的要求为电压偏差不能大于5%。电源监控系统在不影响功能的情况下，选择集成度高、电磁干扰小的芯片使其不给电源设备带来额外负担。MSP430F149是TI公司的16位系列单片机，其工作电压在1.8～3.6 V之间，正常工作功耗可控制在200 μA左右。其丰富的片上资源，超低的电源电流功耗，使开发不必在接口、外围I/O及存储器上花太多精力，节约人力成本。整体框图如图2所示。

图2 电源监控系统

图2可以看出监控电路有独立的供电系统、电压监测和复位设计，保证电源监控的准确性和独立性。电源监控系统[3]实现了两个功能：一是对基带板上电顺序进行配置；二是监控基带板中的工作电压，在发生故障时做出报警并保存。单片机按照配电先后顺序打开各个电源使能，将各路模拟电压送到MSP430F149的ADC中进行模数转换并保持(每秒采样1次)；然后将采集到的信息进行处理，并通过串口将信息上报CPU存储，最后点亮对应的LED指示灯。

2 电源模块的实现

2.1 电源电路的实现

图3 12 V转5 V电路原理

LTC3615是一款双输出的同步压降DC-DC电源管理芯片，转换效率为94%，开关频率为4 MHz，±1%的输出电压精度，每路可通过3 A的电流，每组输出都有单独的软启动与使能管脚。当RUN管脚的电压低于0.3 V时，就没有电流输出。设计中LTC3615的输入电压5 V，两个降压式控制器BUCK1和BUCK2分别输出1.2 V和1.5 V，其中输出Vout是通过两个分压电阻实现，满足关系式：

(1)

式中，VFB=0.6 V；电路设计如图4所示，同理可设计1.8 V、3.3 V电压。

CPU Core工作电压为1 V，满负荷运转时的功耗可高达3.7 W，电压波纹需低于±30 mv，选用TI公司的LM20125电源芯片供电。该芯片的输入电压2.92～5.5 V，开关频率500 kHz，效率高达97%，波纹在±1%×Vout范围之内，最大输出电流5 A。运行时只要把EN管脚拉到地，电流输出就为零。输出电压Vout是可调的，两个分压电阻的关系为式(2)：

(2)

式中，VFB=0.8 V；具体的电路可参考芯片数据手册。

2.2 监控电路的实现

为了保证监控电路能独立、稳定的运行，采用凌特公司LDO芯片LT1762EM8-3.3提供3.3 V为其单独供电。根据经验用一颗共模电感分开数字3.3 V和模拟3.3 V，并匹配电容消除噪声；用一颗3.3 μH电感隔离数字地和模拟地，使之相互不影响[4]。

1)PFI引脚所接的被监测电源低于一个门限。

在设计中PFI的输入电压为:

(3)

上电启动时，PFO管脚得到VPFI和阀值电压VIT(0.551 V)的比较值，其过程是一个曲线上升状态；当0.4 V

MSP430F149[5]集成了14路高精度，具有采样、保持等功能的12位ADC模块，最高采样速度[6]可达200 kHz。其中8路外部信号转换；3路内部参考电压检测转换；1路温控传感电压转换。芯片采用加载信号到电容上充电的方式采样，其设置两个参考基准电压(VR+和VR-)来定义转换的最大值和最小值，当输入模拟电压等于或者高于VR+时，ADC12输出满量程值0FFFH，当输入小于或者等于VR+时，ADC12输出0。使用外部参考电压时的转换公式为:

(4)

文中选择的参考电压为2.5 V，这样AD分辨率就是2.5V/4096=0.61 mV，由于输入的模拟电压量较高，不能直接与单片机的ADC采样端口相连，因此用电阻分压的方式进行了降压处理，成功解决了上述问题。具体的设计如图5所示。

图5 监控电路原理

2.3 软件设计

电源模块的软件[6]分为主程序和子程序。主程序控制和协调各个执行模块；子程序实现具体的相关功能，包括初始化模块、AD转换模块、报警监测响应模块、数据处理模块等。

2.4 注意事项

在电源模块设计中，模拟电源尽量选用LDO芯片，降低纹波对模拟电源的干扰；数字电路选用开关电源芯片，配合LC等滤波电路，这样配合可以降低功耗、提升工作效率。

设计中将基带板的数字和射频组合在同一印制板中，既提高数据传输可靠性，又能显著降低开模成本(包括结构件)，节约组装工艺时间。PCB采用10层板，在布局上尽量将具有同种电源的器件集中在某一个区域，简化电源分割的难度：不同电源的铜皮之间的间距在20 mil以上，防止电源间电磁串扰；在印制板边缘对电源进行包地处理，配合结构的金属腔体，减少电源的电磁干扰(EMI)。

AD采样分压电阻采用C或D级高精度电阻，提高电阻精度的方法来达到采样精度提高，而不是外加AD芯片来降低成本。测试电源纹波时，要选择最近的回流地，否则会导致结果有偏差。

2.5 测试结果

数字万用表对电源模块的各个电压进行测量，用示波器观察电源纹波，发现实际电压值与标准值之间略有差别，如表1所示，根据设计任务书，实际值与标准值间的误差不超过5%为可靠电压。设计的电压误差小于1%。

表1 电压标准与实测值的比较

图6为5 V电源电压启动成功以及其对应的电源纹波。从图中可以看出5 V电压启动只需要26 ms，在启动平稳200 ms后将上报电压正常，GOOD为高电平。

图6 5 V电压值与纹波

整个测试中电源模块运行平稳，上报数据及时、准确，1%的电源纹波在行业属于领先水平，更低的电源纹波代表电源有更高的利用效率。优秀的结构设计让信道板散热出色，温度控制在20℃～30℃之间，让电源模块始终高效率工作，为整个基带板带来稳定的电源输出。

当电压值都正常时，监控芯片未输出复位信号，在按下复位按钮或者将监控引脚接地(检测电压低于正常值)的情况下，监控芯片输出复位信号，是整个系统一直处于复位状态，直到所检测的电压恢复正常，系统才顺利启动并工作，说明设计的电源监控和复位电路模块达到预期效果。

在以往的案例中，数字板出现故障多数是电源引起。当监控到电压出现问题后，切断电源并上报具体出错电压，可以让维护人员迅速定位，提高维护效率。经过大量实验验证，准确率达到100%。

3 结 语

针对数字集群基带板的电源供电要求，本设计采用电阻分压方式对源电压进行过压与欠压检测，满足条件时可自动断电保护，延长核心芯片的工作寿命；可根据芯片要求控制电源上电顺序；设计中的热拔插、防雷击、防浪涌电路，提高了基带板野外工作时的可靠性；电源运行状态可实现网络远程监控，随时进行电源数据采集、传输、处理。经过大量试验

验证，其电压误差小，电源纹波干扰极低，可快速精确的对电源各种异常状态进行保护。整个电源模块供电稳定、成本低廉、可移植性强，电源监控成为真正意义上的单片系统，未来将在电源纹波与模块通用化方面做优化设计。

[1] 廖志强.电台电源综合监测保护设计[J].通信技术,2013,46(08):158-160. LIAO Zhi-qiang. Protection of Power Supply for Radio[J]. Communications Technology, 2013,46(08):158-160.

[2] 汪锋,章坚武.基于TMS320DM6446的电源模块设计与实现[J].电子器件,2010，33(03):266-270. WANG Feng, ZHANG Jian-wu.Power Module Design and Implementation based on TMS320DM6446[J]. Electronic Device, 2010，33(03):266-270.

[3] 孙宾，李驹光．基于STM32F207电源监控系统的设计与实现[J].工业控制计算机, 2013，26(11):143-145. SUN Bin, LI Ju-guang. Design and Implementation of Power Monitoring System based on STM32F207[J]. Industrial Control Computer,2013,26(11):143-145.

[4] 张敏,海博奇,邹鹏.基于ZigBee无线网络的电源电压监控系统[J].通信技术,2012, 45(02):10-12. ZHAN Min, HAI Bo-qi, ZOU Peng.The Voltage of Power Supply Monitoring System based on ZigBee Wireless Network[J]. Communications Technology,2012,45(02):10-12.

[5] Texas Incorporate. MSP430x1xx Datasheet[S].USA：Texas Instruments Incorporated, 2006.

[6] 秦龙.MSP430单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京:电子工业出版社,2006：159. QIN Long. MSP430 Microcontroller C Language Application Programming Example [M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2006:159.

Power Module Design and Implementation of Digital Trunking Baseband Board

TAN Da-lun，MENG Xiang-liang，LI Yan-ping

(Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company，Guangzhou Guangdong 510663，China)

Digital trunking communication baseband board, with QorIQ P1022 processor as a platform, adopts the collocational design of LDO chip and switching power chip for its power module. In virtue of MSP430F149 MCU, it would implement the functions of real-time voltage acquisition, processing, monitoring and management. This design scheme could satisfy the system requirements of CPU,DSP,core voltage of FPGA core chip，power-on sequence of peripheral I/O pin and other auxiliary equipments. The whole design could improve the reliability of power supply and real-time monitoring of baseband board, and meanwhile, the maintenance efficiency is enhanced and the production cost reduced,and thus the economic benefit raised.

power module; power monitoring; digital trunking; baseband board

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.05.023

2014-11-09；

2015-03-12 Received date:2014-11-09；Revised date：2015-03-12

TN86

A

1002-0802(2015)05-0621-05

谭大伦(1986—)，男，硕士，数字电路设计师，主要研究方向为数字集群通信；

李艳萍(1984—)，女，硕士，软件工程师，主要研究方向为软件应用开发；

孟祥亮(1986—)，男，硕士，软件工程师，主要研究方向为软件应用开发。