低压cpld_epm7512a的混合电压系统设计方案

低压CPLDEPM7512A的混合电压系统设计引言随着微电子技术的飞速发展,体积更小、功耗更低、性能更佳的低压芯片不断涌现。I/O电平逻辑向3.3V、2.5V、1.8V,甚至更低的方向发展。但数十年来,由于5V电源的器件一直占据比较重要的市场,在系统设计中它们经常共存在一块电路板中,因此在设计它们的过程中,就不可避免地要碰到不同电压电平的接口问题。1EPM7512A简述EMP7512A是Altera公司推出的MAX7000A系列的CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice);采用CMOSEEPROM工艺,传输延时仅为3.5ns,可实现频率高达200MHz的计数器;内部具有丰富的资源——512个触发器,1万个用户可编程门;为了比较适合混合电压系统,提供了2.5V、3.3V电压的内核,通过配置,输入引脚可以工作兼容2.5V/3.3V/5V/逻辑电平,输出可以配置为2.5V/3.3V逻辑电平输出。EPM7512A同时还提供了JTAG接口,可进行ISP编程,极大方便了用户。2电源设计在本系统中,外界提供的电源为±12V和+5V,而EPM7512A的工作电压需接3.3V,所以首先要解决好电源的问题。以下是几种解决方案。(1)采用低压差线性稳压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。使用方便、成本低、纹波小、无电磁干扰。但是传统的线性稳压器,如78xx系列都要求输入电压要比输出电压高2V~3V以上,否则不能正常工作,所以78xx系列已经不能够满足3.3V电源设计的要求。面对低电压电源的需求,许多电源芯片公司推出了低压差线性稳压器LDO(LowDropoutRegulator)。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,3.3V转2.5V/1.8V等要求。(2)设计开关电源开关电源也是实现电源转换的一种方法,且效率很高,但设计要比使用线性稳压器复杂得多。不过对于大电流高功率的设计,建议采用开关电源。现在开关电源里面的同步整流技术可以很好地解决低压、大电流的问题。(3)电阻分压这种方法简单、成本低,但是分压输出受负载大小影响,不推荐在低压系统中使用。综合对比上面几种方案,选用了TI公司的LDO芯片TPS7333QD,负载能力500mA,符合系统功耗要求。3逻辑接口设计(1)各种电平的转换标准EMP7512A的供电电压为3.3V,当VCCINT接3.3V时,输入口的逻辑电平范围为-2V~5.75V。输出口的逻辑电平范围为0V~VCCIO。VCCIO可以接2.5V或者3.3V。在进行CPLD系统设计时,除了CPLD本身外,还有很多外围的模块和芯片,比如Flash、D/A、A/D等。这些可归成两类——驱动CPLD的5V电平和被CPLD驱动的5V电平芯片。因此就存在一个如何将低压CPLD与这些芯片或模块可靠接口的问题。表1所列为5VCMOS、5VTTL和3.3V电平的转换标准。其中,VOH表示输出高电平的最低电压,VIH表示输入高电平的最低电压,VIL表示输入低电平的最高电压,VOL表示输出低电平的最高电压。从表1中可以看出,5VTTL和3.3V的转换标准是一样的,而5VCMOS的转换标准是不同的。因此,在将3.3V系统与5V系统接口时,必须考虑到两者的不同。表15VCMOS/TTL、3.3VTTL逻辑电平标准(2)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互相接口存在以下几个问题。①加到输入和输出引脚上允许的最大电压限制问题。器件对加到输入或者输出脚上的电压通常是有限制的。这些引脚由二极管或者分离元件接到Vcc。如果接入的电压过高,则电流将会通过二极管或者分离元件流向电源。例如在3.3V器件的输入端加上5V的信号,则5V电源会向3.3V电源充电。持续的电流将会损坏二极管和其它电路元件。②两个电源间电流的互串问题。在等待或者掉电方式时,3.3V电源降落到0V,大电流将流通到地。这使得总线上的高电压被下拉到地,引起数据丢失和元件损坏。必须注意的是：不管在3.3V的工作状态还是在0V的等待状态,都不允许电流流向Vcc。③接口输入转换门限问题。用5V的器件驱动3.3V的器件有很多不同的情况,同样TTL和CMOS间的转换电平也存在着不同情况。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)EPM7512A与5V电平接口的4种情形在该系统中,有下面4种不同的情况需考虑。(配置脚VCCINT、VCCIO均须接3.3V,把EPM7512A配置成3.3VTTL器件。)①5VTTL器件驱动EPM7512A(直接相连)。由于5VTTL和3.3V的电平转换标准是一样的,5VTTL器件输出的典型值为3.6V,因此,如果3.3V器件能够承受5V的电压,则从电平上来说是完全可以直接相连的。EPM7512A能承受5VTTL电平驱动。②EPM7512A驱动5VTTL器件(直接相连)。由于3.3V器件的VOH和VOL电平分别是2.4V和0.4V,5VTTL器件的VIH和VIL电平分别是2V和0.8V;而EPM512A实际上能输出3V摆幅的电压,显然5VTTL器件能够正确识别EMP7512A的输入电平。③5VCMOS器件驱动EPM7512A(直接相连)。分析5VCMOS的VOH和VOL以及3.3V的VIH和VIL的转换电平可以看出,虽然两者存在一定的差别,但是能够承受5V电压的3.3V器件能够正确识别5V器件送来的电平值。所以能够承受5V电压的3.3V器件的输入端可以直接与5V器件的输出端接口。EPM7512A有5V容限,故能直接与5V器件的输出端接口。④EPM7512A驱动5VCMOS(不能直接相连)。3.3V与5VCMOS的电平转换标准是不一样的。从表1中可以看出,3.3V输出的高电压的最低电压值VOH=2.4V(输出的最高电压可以达到3.3V),而5VCMOS器件要求的高电平最低电压VIH=3.5V,因此EMP7512A的输出不能直接与5VCMOS器件的输入相连接。为此必须做些处理。最通用的方法就是,使用电平接口转换芯片实现3.3V与5V电平的相互转换。可以采用双电压(一边是3.3V,另一边是5V)供电的双向驱动器来实现电平转换。如TI的SN74ALVC164245、SN74ALVC4245等芯片,可以较好地解决3.3V与5V电平的转换问题。对于5VTTL或者5VCMOS器件,如果驱动3.3V(但无5V容限)的器件,就不能直接连接,而也可通过SN74ALVC16245来实现5V到3.3V的转换。对于EPM7512A驱动5VCMOS的情况还有个比较好的方法是,使输出口OC(集电极开路)输出,外面接一个电阻上拉到5V,这样就可以驱动5VCMOS器件了,只是逻辑反向了而已。4总结混合逻辑系统会在一个比较长的时间内存在。它的设计比较复杂,必须仔细分析其中的逻辑接口问题,否则容易使芯片烧毁或者逻辑失真。笔者在应用EEM7512A的过程中总结了这几种方法,对设计混合逻辑系统具有普遍意义。参考文献1黄正瑾.CPLD系统设计技术入门与应用.北京:电子工业出版社,20022Altera.MAX7000ADatasheet.2003-043Altera.UsingAlteraDeviceinMultiple-VoltageSystems.2001-024Intel.LowVoltageEmbeddedDesign.1993-02田红研究生,主要研究方向为电力电子技术及嵌入式系统。张晓斌副教授,主要研究方向为电力电子技术。CPLD芯片EPM7128在DSP芯片TMS320LF2407A系统中电平转换的应用TMS320LF2407A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。但是系统中依然存在很多5V供电的芯片，因此这个系统中就不可避免地存在不同供电电压的模块。为了适应混合电压系统，采用CPLD(EPM7128)实现DSP（TMS320LF2407A）与5V器件接口。关键词：CPLD(CPLD)；DSP(DSP)；混合电压(MultiVolt)1.EPM7128SLC84-15简述EPM7128SLC84-15是Altera公司的MAX7000S系列的CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)；采用CMOSE2PROM工艺，传输延迟仅为5ns；内部具有丰富的资源--128个触发器、2500个用户可编程门；而且具有68个用户可编程的IO口，为系统定义输入、输出和双向口提供了极大的方便；为了比较适合混合电压系统，通过配置，输入引脚可以兼容3.3V/5V逻辑电平，输出可以配置为3.3V/5V逻辑电平输出。EPM7128同时还提供了JTAG接口，可进行ISP编程，极大地方便了用户。2.电源设计TMS320LF2407A的工作电压是3.3V，而系统中许多常用外围器件的主要工作电压通常都是5V，因此以TMS320LF2407A为核心构成的应用系统必然是一个混合电压系统。系统中不仅要求有3.3V的电源，还要求有5V的电源。设计的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，首先要解决的就是3.3V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，其原理如图1所示。其成本比较低并且结构简单，可以作为一种应急的方案。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。此外，这种电路的无功功耗也比较大。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。面对低压电源的需求，许多电源芯片公司推出了低压差线性稳压器(LDO)。这种电源芯片的压差只有1.3V~0.2V，可以实现5V转3.3V的要求。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。综合几种电源的优缺点，DSP系统采用LDO芯片TPS7333。此芯片是TI公司专门为3.3V低压系统设计的，它是固定输出3.3V，且有上电产生DSP系统复位所需的信号。此外它输出电流可达几百毫安，输出功率完全能够满足系统所需。具体电路如图2所示。3.TMS320LF2407A逻辑接口设计3.1各种电平的转换标准在进行DSP系统设计时，除了DSP和CPLD本身外，还有很多外围的模块和芯片，比如键盘显示接口芯片（82C79）、D/A、A/D、I2C等。这些可归成两类--输入5VTTL电平和5VCMOS电平。因此就存在一个如何将DSP与这些芯片或模块可靠接口的问题。图3所列为5VCMOS、5VTTL和3.3VTTL电平的转换标准。其中，VOH表示输出高电平的最低电压，VIH表示输入高电平的最低电压，VIL表示输入低电平的最高电压，VOL表示输出低电平最高电压。从表1中可以看出，5VTTL和3.3V的转换标准是一样的，而5VCMOS的转换标准是不同的。因此，在将3.3V系统与5V系统接口时，