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CPCI
閱讀�12857�(shí)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�(guó)際工�(yè)�(jì)算機(jī)制造者聯(lián)合會(huì)(PCI Industrial Computer ManufeCMrers Group,簡(jiǎn)稱PICMG)�1994提出�(lái)的一�總線接口�(biāo)�(zhǔn)。是以PCI電氣�(guī)范為�(biāo)�(zhǔn)的高性能工業(yè)用總�。CPCI�CPU及外�(shè)同標(biāo)�(zhǔn)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�(guān)軟件。從根本上說(shuō),它們是一致的,因此操作系�(tǒng)、驅(qū)�(dòng)和應(yīng)用程序都感覺(jué)不到兩者的區(qū)別,將一�(gè)�(biāo)�(zhǔn)PCI插卡�(zhuǎn)化成CPCI插卡幾乎不需重新�(shè)�(jì),只要物理上重新分配一下即可�

特點(diǎn)

  1.開(kāi)放的總線技�(shù)

  CPCI技�(shù)架構(gòu)在一�(gè)更加�(kāi)�、標(biāo)�(zhǔn)的平�(tái)�,有利于各類系統(tǒng)集成�、設(shè)備供�(yīng)商提供更加便捷快速的增值服�(wù),為用戶提供更高性價(jià)比的�(chǎn)品和解決方案�

  2.可靠的歐洲卡結(jié)�(gòu)

  CPCI拋棄PCI的傳�(tǒng)�(jī)械結(jié)�(gòu),改用經(jīng)�(guò)20年實(shí)踐檢�(yàn)了的高可靠歐洲卡�(jié)�(gòu),改善了散熱條件,提高了抗振�(dòng)沖擊能力,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�,改用歐式連接�(�2 mm密度的針孔連接�),具有氣密�、防腐�、可靠�、高�(fù)載能力,為現(xiàn)代系列設(shè)�(jì)提供了無(wú)可比擬的性能和靈活��

  4.高效的熱插拔技�(shù)

  CPCI技�(shù)中最突出、吸引力的特�(diǎn)是熱插拔(Hot Swap)。簡(jiǎn)言�,就是在�(yùn)行系�(tǒng)�(méi)有斷電的條件下,拔出或插入功能模�,而不破壞系統(tǒng)的正常工作的一種技�(shù)。它的實(shí)�(xiàn)是:在結(jié)�(gòu)上采用三種不同長(zhǎng)度的引腳插針,使得模板插入或拔出�(shí),電源和接地、PCI總線信號(hào)、熱插拔啟動(dòng)信號(hào)按序�(jìn)��

用�

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

�(guān)于市�(chǎng)

  CPCI�(chǎn)品在�(guó)�(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(dòng)化產(chǎn)�(yè)提供了從CPU主板、機(jī)箱、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(tuán)、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�(shù)的系�(tǒng)平臺(tái)�(chǎn)品�

基于嵌入式系�(tǒng)的電源設(shè)�(jì)

  1 引言

  嵌入式系�(tǒng)廣泛�(yīng)用于控制和通信�(lǐng)�。而這些系統(tǒng)�(yùn)行速度高,系統(tǒng)較復(fù)�,常常集成超大規(guī)模FPGA器件、DSP器件、DDR存儲(chǔ)器以及各種接口電�。這對(duì)電源的輸出電壓�、功�、電壓精�、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�(jì)算機(jī)電源的設(shè)�(jì)方案。該�(shè)�(jì)主要�(yīng)用于航空�(shè)備和軍用車載�(shè)��

  2 系統(tǒng)電源需求分析與器件造型

  �1為系�(tǒng)整體�(jié)�(gòu)框圖。該系統(tǒng)由CPU和與其相連的DDR�(chǔ)存器、PCI接口、時(shí)鐘、電�、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(jié)構(gòu)框圖

  2�1 系統(tǒng)電源需�

  該系�(tǒng)電源較復(fù)�,有多達(dá)8種不同的電源電壓值,其中5 V�3�3 V由CPCI�(jī)箱提��5 V供給DC/DC器件降壓以產(chǎn)生其他電源電�,同�(shí)�1553總線的變壓器供電�3�3 V是系�(tǒng)主電�,包括USB PHY、時(shí)鐘器�、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�(duì)上電順序�(méi)有要�。其中VDD 1�5 V是PPC440EPx的內(nèi)核電�,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�(hào)的端口接電壓VTT,其電壓值都�0�9 V。其�,VREF�(duì)容差的要求非常嚴(yán)�(小于2�),不�(guò)其對(duì)電流的要求較�。而對(duì)VTT不僅有嚴(yán)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�(shí),VREF岍要隨著VDD的變化而變�,VTT也要跟蹤VREF的變�。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�(shí)�(xiàn)1553收發(fā)器以及一些接口電路的�(shè)�(jì)。該器件使用3�(gè)電壓�(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�(fù)位電�,只有當(dāng)�3�(gè)電源信號(hào)都達(dá)到各自門限電壓,才釋放該�(fù)位信�(hào)。因�,對(duì)�3�(gè)電源信號(hào)的上電順序沒(méi)有要求。不�(guò),如� VCCINT先于VCCAUX上電,則�(huì)在上電時(shí)額外增加幾百毫安的瞬�(shí)電流。估�(jì)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(diào)用XPower。系�(tǒng)利用XPower軟件估計(jì)出該�(shè)�(jì)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�,系�(tǒng)還有諸如串行接口、USB接口、時(shí)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件,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�(zhuǎn)換器兩大類型。LDO屬于線性穩(wěn)壓器主要�(yīng)用于輸人和輸出壓差較小的�(chǎng)�,其特點(diǎn)是:成本�、噪音低、靜�(tài)電流�、需外接元件�,但其轉(zhuǎn)換效率不是很高,且輸出電流一般不是很�。DC/DC�(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率高、輸出大電流、靜�(tài)電流�。但由于采用PWM控制,其�(kāi)�(guān)噪音較大,成本也相對(duì)較高。且外接電路較復(fù)�,一般都需外接�(kāi)�(guān)管、電感及電容。許多新� DC/DC將開(kāi)�(guān)管集成到器件�(nèi)部.因此只需外接電感和濾波電��

  根據(jù)電源器件的特�(diǎn),以及對(duì)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)都得到使用。但為簡(jiǎn)化設(shè)�(jì)、便于批量生�(chǎn)和物料管理,該系�(tǒng)只使�3�(gè)不同型號(hào)的電源器�,分別是:LT3501、LDO器件TPS51100和TPS74801。其�,功耗需求較大的1�5 V�1�8 V電源電路采用LT3501�(shí)�(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�(shè)�(jì)

  由于LDO電路�(jiǎn)單及篇幅原因,這里重點(diǎn)討論LT3501的電路設(shè)�(jì),圖2為L(zhǎng)T3501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(jiǎn)�,由連接在VOUT和VFR間的2只電阻分壓得�。其公式為:

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

  3�1�2 �(kāi)�(guān)頻率

  LT3501的開(kāi)�(guān)頻率由連接在RT/SYNC引腳上的電阻決定,如�3所�。當(dāng)電阻�15�4 kΩ增加�133 kΩ�(shí),其�(kāi)�(guān)頻率�1�5 MHz減小�250 kHz。為減小外連的電感和電容的尺寸,便于PCB�(shè)�(jì),開(kāi)�(guān)頻率選擇較高的f=1�2 MHz。則根據(jù)�3所示曲線,其電阻值為20�6 kΩ�

  3�1�3 電感�

  �(duì)于開(kāi)�(guān)電源,電感的取值非常重�。根�(jù)LT3501的數(shù)�(jù)手冊(cè)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降,其值約�0�4 V�

  假如輸出電流需3 A,由�(2)可計(jì)算電感L至少�1�2μH�

  為提高效�,減小輸出紋�,要求電感:額定電流的有效值應(yīng)大于�(fù)載電流;同時(shí)其飽和電流值應(yīng)大于30�;直流電阻值應(yīng)小于0�05 Ω,其電感值應(yīng)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)�(jì)算紋波電流△IL�0�8 A�

  3�1�4 輸入電容和輸出電�

  由于�(kāi)�(guān)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(shí)間非??臁?/FONT>

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

  輸出電容濾波流過(guò)電感的電流,以得到紋波很小的輸出電壓。同�(shí),其�(chǔ)能功能還可滿足瞬間負(fù)載,并穩(wěn)定LT3501的控制環(huán)路。LT3501的控制環(huán)路采用電流模�,對(duì)輸出電容的RESR(串連等效電�)�(méi)有要��

  因此,可以采用陶瓷電容來(lái)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(fù)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)�(jì)算陶瓷電�,式(5)�(jì)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)�(jì)算出紋波電壓�0�56 mV,滿足CPU和其他電路對(duì)電源紋波的要求�

  3�2 PCB布局

  �(duì)于開(kāi)�(guān)電源,PCB的布局非常重要。當(dāng)�(kāi)�(guān)電源工作�(shí),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�(kāi)�(guān)�、外面的�(huán)流二極管和輸入電容之間流�(dòng)。由這些元件�(gòu)成的�(huán)路應(yīng)盡可能的小。在布局�(shí),這些器件以及電感和輸出電容應(yīng)該布局在電路板的同一層,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(diǎn)連接方法,連接�(diǎn)選在輸出電容的接地端。另�,SW和BST信號(hào)的布線要盡可能的�� LT3501器件的底部有裸露的leadframe,該�(jié)�(gòu)散熱良好。在�(shè)�(jì)PCB�(shí)??稍谄骷撞康膶?duì)�(yīng)位置放一塊覆�,并通過(guò)多�(gè)�(guò)孔與�(nèi)層的大面積覆銅連接�

  4 �(jié)�

  分析該系�(tǒng)的功耗,在考慮一定冗余的基礎(chǔ)�,利�3種電源器件設(shè)�(jì)該嵌入式系統(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�(gè)�(shí)際應(yīng)用中得到�(yàn)�,并且表�(xiàn)良好�

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