多核DSP供電設計及其環境適應性分析

陳 川,閆 昆,劉小劍,張 坤

(中航工業西安航空計算技術研究所,西安 710065)

多核DSP供電設計及其環境適應性分析

陳 川*,閆 昆,劉小劍,張 坤

(中航工業西安航空計算技術研究所,西安 710065)

為了解決多核DSP在特殊應用環境下的供電問題,以TI公司的新型多核DSP TMS320C6678為研究對象,首先提出一種有效的核心供電解決方案,隨后使用TI仿真監測軟件Fusion Design對此方案的環境適應性進行分析,進而提出一種創新的更適合多核DSP在功耗陡增時的供電解決方案。通過仿真分析和實測結果證明,所設計的多核DSP電源供電電路能夠滿足使用要求,具有很高的實用價值。

電源;多核DSP;TMS320C6678;環境適應性

TI公司的DSP TMS320C6678是一款基于KeyStone架構的高性能處理器,片內有8個內核,每個核頻率可達1.25 GHz,定點運算處理能力40 GMAC,浮點運算處理能力20 GFLOP,8核同時工作時處理速度可達10 GHz。TMS320C6678如此優良的性能,尤其加之在更為密閉的彈載產品應用中,使得其對電源部分的設計提出了更高的要求,普通的穩壓電源早已不能滿足要求,電源設計在整個產品設計中就顯得尤為重要。

1 系統供電結構

圖1 產品系統供電結構圖

某型彈載計算機產品系統供電結構如圖1所示。產品采用統一的5 V進行供電,DSP的普通接口電壓1.8 V由DC/DC電源芯片提供,DSP的DDR3接口電壓1.5 V由DDR3專用電源芯片提供,DSP的內核電壓CVDD和1.0 V由UCD9222和UCD7242配合提供。TMS320C6678對于上電順序有明確要求,在本設計中采用1.8 V—CVDD—1.0 V—1.5 V的上電順序。其中CVDD與1.0 V的順序通過對UCD9222編程實現,其他電源的上電順序通過硬件自身級聯控制和FPGA邏輯控制實現。

2 DSP核心供電設計

多核處理器的核心電壓CVDD和1.0 V選用UCD9222和UCD7242配合完成。UCD9222是數字PWM系統控制器,可以控制兩路獨立的DC/DC電源輸出,開關頻率達到2 MHz。UCD9222的控制途徑主要有兩種:一種是通過VID接口,其需要有處理器或專用集成電路的控制;另一種是通過PMBus電源管理總線,通過PMBus命令對UCD9222進行控制調節。本設計中采用PMBus方式對UCD9222進行在線調試和編程固化,而采用DSP的VID信號反饋到UCD9222的VID接口來實現對電壓的實時調整。

UCD7242 是與UCD9222完全兼容的驅動芯片,可以產生兩個獨立的電源,可以供應CVDD(內核電壓)與1.0 V(SRIO、SGMⅡ等)。UCD7242接收UCD9222的脈沖寬度調制波,通過控制MOSFET開關的時間來控制輸出電壓的大小。同時UCD7242產生反饋信號返回UCD9222,方便電源控制芯片對輸出電壓的情況作出及時的反應。為保證UCD9222和UCD7242的正常工作,在各自工作電壓輸入端增加了電容來減少電壓紋波。DSP核心電壓供電方案如圖2所示。

圖2 DSP核心電壓供電方案

3 DSP核心供電軟件控制

UCD9222控制器內部有專用集成電路,其支持PMBus電源管理總線,需要使用PMBus命令對其進行操作,為了方便使用,可以通過Fusion Digital Power Designer軟件可以對其進行配置、監控和管理,這樣可以避開使用底層的PMBus命令語句進行操作。在操作界面進行配置之后,可以通過USB適配器下載固化到UCD9222內部的Flash中,從而實現相應的配置功能。

在本設計中,為多核DSP設計的核心供電為0.9 V(rail#1)和1.0 V(rail#2),兩者上升時間均設置為5 ms,rail#2比rail#1延遲5 ms。兩者的設置信息如圖3和圖4所示。

圖3 rail#1設置信息

圖4 rail#2設置信息

軟件配置時工作參數有很多,關鍵的參數有電壓幅度、時序關系、過壓欠壓保護、溫度保護等參數,注意設置達到極限值時的反應,以免出現不必要的關斷等問題。將設置好的配置通過USB適配器下載到芯片中試運行,最后固化到片內Flash中即可。

圖5 UCD7242輸出電壓仿真圖示

4 供電仿真和環境適應性分析

圖5為UCD7242輸出電壓的仿真結果,可以看到兩條電源軌跡,一條為CVDD(rail#1),一條為1.0 V(rail#2)。在時序上,CVDD在1.0 V之前上電,提前5 ms。此DSP核心供電加之其余電源的上電控制,整個系統在常溫環境即可正常工作。

TMS320C6678的高性能使得其本身功耗偏大,而芯片電流消耗隨工作環境溫度升高變大,在密閉的使用環境下有甚至出現功耗翻倍的情況。經實際溫度試驗測試,產品在溫箱溫度到達65 ℃～75 ℃條件時,保溫持續工作0.5 左右,出現芯片電流消耗超過UCD7242供給能力10 A的情況。由此可見若將芯片置于無散熱條件或散熱條件不好的彈載機艙內來應用會面臨嚴峻的問題。而在常溫環境下(23 ℃左右時),其功耗僅為高溫環境下的1/2甚至1/3。實測情況如下:正常情況下,CVDD電流消耗曲線如圖6所示,在UCD7242供給能力范圍之內,電流最高5 A左右。高溫情況下,CVDD電流消耗曲線如圖7所示,已經超出UCD7242供電能力,電流超過了10 A,發生了掉電現象。

圖6 正常情況下,CVDD電流消耗

圖7 高溫情況下,CVDD電流消耗

5 供電設計環境適應性改進

從上述環境適應性分析和實測可以看出,在特殊應用環境下,供電電路的環境適應性設計改進勢在必行。若想保證DSP正常工作,需從兩個方面做考慮。一是改進芯片散熱,經實測在外加優良散熱方式的情況下(比方風扇散熱等),芯片的運行穩定,功耗曲線趨平,對電源的供電能力等要求較低。二是提高產品供電能力,這用在無法解決散熱而導致的電流需求變大的情況時,這里提出一種創新的供電解決方案,采用兩片UCD7242共用PWM管理芯片的方式來提高電流輸出能力,此方法可以將原本UCD7242的10A供電能力提升至20 A,以解決由于溫升帶來的供電能力欠缺問題,電壓的動態調整依然通過VID接口進行處理。具體可以按照如圖8所示的方案進行設計。經實測,此方案雖然芯片功耗有所增加,但是可以達到系統穩定運行的目的。

圖8 DSP核心供電20A解決方案

6 結束語

TI新型多核DSP的出現給我們提供了更為強大

的處理能力,但其缺陷也隨著多核DSP的深入開發日漸顯現,例如其環境適應性問題對于特殊的應用場景日漸尖銳。本文對多核DSP供電設計進行了介紹并對其環境適應性進行了分析,文中創新提出的供電方案供電效率高、驅動能力強、所用芯片集成度很高、電路相對簡單,對于小型化設計有現實意義,而且可以滿足一些特殊的對環境適應性要求高的應用場景,但在應用時仍需仔細評估熱問題給系統帶來的影響,設計時要留有足夠余量,以保證所設計系統在各種使用環境下正常工作。

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Power Supply Design and Environmental Worthiness Analysis for Multicore DSP

CHENChuan*,YANKun,LIUXiaojian,ZHANGKun

(Xi’an Aeronautics Computing Technique Research Institute,AVIC,Xi’an 710065,China)

In order to solve the power supply problem of multi core DSP in the special application environment,an effective solution of power supply design is introduced for multicore DSP TMS320C6678. TI simulation software Fusion Design is used to analyze the environmental worthiness of this solution. Furthermore,we propose an innovative solution for multicore DSP when the power is increased quickly. The simulation analysis and experimental results show that this solution can meet the use of requirements and has a high practical value.

power supply;multicore DSP;TMS320C6678;environmental worthiness

2016-04-25 修改日期:2016-05-13

TN710

A

1005-9490(2017)03-0577-04

C:1210

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.012