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TMS320LF2407A在混合电压系统中的设计
摘要：介绍了TMS320LF2407A在混合电压系统中的设计。首先对TMS320LF2407A做了简单的介绍，然后阐述了TMS320LF2407A的电源问题以及与5V器件接口时存在的逻辑电平不匹配问题，分析了产生这些问题的原因，并给出了相应的解决方案。关键词：逻辑电平 DSP控制器 电源 接口
随着便携式数字电子产品、数字式移动电话、手持式测试仪表等的迅速发展，要求使用体积小、功耗低、电池耗电小的器件，从而使得集成电路的工作电压已经从5V降到3．3V甚至更低，例如2．5V和1．8V。但是目前仍有许多5V电源的逻辑器件和数字器件可用，因此在许多设计中将会有3．3V逻辑器件和5V逻辑器件共存，而且不同的电源电压在同一电路板中混用。随着更低电压标准的引进，混合电压的系统将会代替单电压系统，并会在很长时间内存在。
1 TMS320LF2407A概述
TMS320LF2407A是TI公司推出的一款定点DSP控制器，它采用了高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3．3V，减小了控制器的功耗；40MIPS的执行速度使得指令周期缩短到25ns(40MHz)，从而提高了控制器的实时控制能力；集成了32K字的闪存(可加密)、2．5K的RAM、500ns转换时间的A／D转换器，片上事件管理器提供了可以满足各种电机的PWM接口和I／O功能，此外还提供了适用于工业控制领域的一些特殊功能，如看门狗电路、SPI、SCI和CAN控制器等，从而使它可广泛应用于工业控制领域。
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然而，在实际的应用系统中，还需要对TMS320LF2407A进行必要的外围扩展，譬如程序区和数据区的扩展、CAN的驱动等，以满足整个应用系统的实际需要。
2 电源设计
TMS320LF2407A的工作电压是3．3V，而目前许多常用外围器件的主要工作电源通常是5V，因此以TMS320LF2407A为核心所构成的应用系统必然是一个混合电压系统。与完全的3．3V系统相比较，混合电压系统由于低电压器件的缺乏，显然有不少缺点。其中一个主要缺点就是对多电源的要求，一个典型的系统需要3V、5V、+12V／-12V，甚至更高的电压。设计的一个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TMS320LF2407A的电源问题。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比较简单，其原理如图1所示。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。另外，这种电路的功耗也比较大。然而，其成本比较低并且结构简单，可以作为一种应急的方案。对于低功耗的系统和对电源要求高的系统，不适合采用这种方案。
2．2 直接采用电源模块
考虑到开关电源设计的复杂性，一些公司如Agere(原来朗讯的微电子部)、Ericsson、Vicor等，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。面对低电源的需求，许多电源芯片公司推出了低电压差线性稳压器(LDO)。这种电源芯片的压差只有1．3V-0．2V，可以实现5V转3．3V／2．5V，或者3．3V转2．5V／1．8V等要求。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，而且功耗比较大。
采用何种电源设计方案，取决于系统的具体要求。通常，小功率或对电源效率要求较低的时候，可以采用LDO。但是对于大功率或对电源效率要求较高的时候，则应该使用电源模块。TMS320LF2407A的特点之一就是低电压工作，其功耗也比较低，所以采用TI公
司的TPS73xx系列比较合适。其中，TPS7333是一种固定输出3．3V电压的电源转换芯片，正好适合TMS320LF2407A的电源需要。
3 逻辑接口设计
由于TMS320LF2407A的引进，不同电压的逻辑系统将共存于同一个电路板中，譬如在同一电路板中存在3．3V和5V两种逻辑系统。因此，在设计逻辑器件之间的接口时，采用适当的方法，可以避免不同电压的逻辑器件接口时出现问题，从而保证所设计的电路数据传输的可靠性。
3．1 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相互接口时会存在以下三个主要问题：加到输入或输出引脚上允许的最大电压的限制问题；两个电源间电流的互串问题；必须满足的输入转换门限问题。
器件对加到输入脚或输出脚的电压通常是有限制的。这些引脚由二极管或分位元件接到Vcc。如果接入的电压过高，电流将会。通过二极管或分位元件流向电源。例如，3．3V器件的输入端接上5V信号，则5V电源将会向3．3V电源充电，持续的电流将会损坏二极管和电路元件。
在等待或掉电方式时，3．3V电源电压降到0V，大电流将流通到地，这使总线上的高电平被下拉到地，这些情况将引起数据丢失和元件损坏。必须注意的是：不管是在3．3V的工作状态或是0V的等待状态，都不允许电流流向Vcc。
另外，用5V的器件驱动3．3V的器件会有很多种不同情况，而且TTL和CMOS间的转换电平也存在着不同情况。在这些情况下，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。
3．2 3．3V和5V逻辑器件之间的接口
TMS320LF2407A的典型工作电压是3．3V，其I／O口的电平也是3．3V。在进行外围接口设计时，如果外围器件的工作电压是3．3V，接口电路就比较简单，可以直接相连。如CYPRESS的CY7C1021BV33是一种64Kxl6的高性能CMOS静态RAM，可以直接与TMS320LF2407A相连，对TMS320LF2407A的数据区进行扩展。
但是，由于现在有许多常用外围芯片的工作电压都是5V，如EPROM等，而TMS320LF2407A的I／0工作电压是3．3V，I／O的电平也是3．3V，因此在TMS320LF2407A和5V的外围芯片之间就存在着可靠接口的问题。图2为5V CMOS、5V TTL和3．3V TTL电子的转换标准。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。从图中可以看出5V m和3．3V TYL的转换标准是一样的，而5V CMOS的转换小平是不同的。因此，在将3．3V和5V系统接口时，必别考虑到两者的不同。
所以，设计3．3V和5V的逻辑器件之间的接口时应考虑以下四种情况：
（1）5V TTL器件驱动3．3V TTL器件(LVC)。由于5VTTL和3．3V TTL的电子标准是一样的，因此，如果3．3V TTL的器件可以承受5V的电压，两种器件之间就可以直金相连，而不需要额外的器件。但是如果3．3VTTL的器件不能承受5V的电压，则需要添加专门的电路或者器件进行电平转换，譬如在接口设计中，增加一个额外的二极管来产生0．7V的电压降。当然，最好的办法是在两个器件之间增加一个TI公司的CBT标准的缓冲器，该缓冲器中集成了上述二极管。
(2)5V CMOS器件驱动3．3V TTL器件(LVC)。显然，两者的转换电平是不一样的。对5V CMOS的VOH和VOL以及3．3V TrL的VIH和VIL做十分析可以得出，虽然两者存在着一定的差别，但是能够承受5V电压的3．3V器件与5V CMOS器件接口时，却可以正常工作。也就是说，5V CMOS器件可以驱动那些能够承受5V电压的3．3V器件。
(3)3．3V TTL器件(LVC)驱动5V TTL器件。由于两者的转换电平标准是一样的，因此两者相连时，不需要额外的器件。因为5V TTL器件的VIH和VIL电平分别是2V和0．8V，所以只要3．3V器件的VOH和VOL电平分别是2．4V和0．4V，5V TTL器件就可以将输入电平识别为有效电平。
（4）3．3V TTL器件（LVC）驱动5V CMOS器件。两者的转换标准是不一样的。从图中可以看到，3．3V器件的VOH为2．4V，而5V CMOS的VIH为3．5V。即使3．3VLVC输出的电压达到3．3V，也不能够满足5V CMOS的高电平所要求的最小值，所以3．3V TTL器件(LVC)是不能直接驱动5V CMOS器件的。在这种情况下，可以使用TI公司提供的一种驱动器，如SN74ALVCl64245和SN74ALVC245。此类芯片采用双电压供电，一边是3．3V供电，而另一边是5V供电，因此可以较好地解决3．3V器件和5V CMOS器件之间的电平转换问题。
3．3 TMS320LF2407A与外围器件的接口实现
在设计TMS320LF2407A的外围接口时，首先需要仔细分析TMS320LF2407A以及相关外围器件的电平转换标准，这可以从器件的电气参数表中获得。TMS320LF2407A、M27C516(EPROM)和80
C250的电平标准。
M27C516是一个32K×l6的EPROM，可使用该器件对TMS320LF2407A的程序区进行扩展。TMS320LF2407A的VOH和VOL分别为2．4V和0．4V，而M27C516的VIH和VIL分别是2．0V和0．8V，因此从TMS320LF2407A到M27C516的单线控制线和地址线是可以直接相连的。但是LF2407A不能承受5V的电压，所以从M27C516到TMS320LF2407A的数据线不能够直接相连。解决的办法是在中间增加一个缓冲器件，如74ALVCl64245。它采用双电压供电，一边采用3．3V供电，另一边采用5V供电，因此可将3．3V的电平转换为5V的电平，相反也可以将5V的电平转换为3．3V的电平，它可以用作两个8位总线驱动器或者一个16位总线驱动器。TMS320LF2407A和M27C516通过74LVCl64245的接口示意图如图3所示。
总线接口时可以采用增加缓冲器件的方式，但是对于串口的接口，没有必要增加缓冲器件，可以设计一些简单的电路来实现，如与82C250的接口。82C250是驱动CAN控制器和物理总线间的接口，提供对总线的差动发送和接收功能。TMS320LF2407A的VOH是2．4V，而82C250的VIH是3．5V以上，很明显TMS320LF2407A驱动不了82C250； 同时，82C250的VOH大于4V，而TMS320LF2407A的VIH最大为3．6V，不能承受5V的电压，因此，在TMS320LF2407A与82C250接口需要增加额外的电平转换电路。图4为一个由电阻和二极管组成的电平转换电路，在CANTX输出端，增加了一个二极管，从而使TXD接收的电压提升了0．7V；同时RXD的电平经过了两个电阻的分压，使得CANRX接收的电平可以保证在3．3V内。
当然，在CANTX和TXD之间还可以使用74LVC07来实现接口。这是一种简单的电平移位器件，它使用一个漏极开路的缓冲器去驱动5V CMOS器件的输入。因此，在CANTX和TXD之间增加一个74LVC07，并在其输出端可通过上拉电阻接到5V电源上，从而驱动TXD。
5V和3．3V器件甚至更低电压的器件并存于一个系统中，这种情况已经存在并且还将存在很长一段时间。因此在设计这种混合电压的系统时，需要仔细分析其中的逻辑器件接口问题。对于TMS320LF2407A来说，它是低电压的芯片，如果与其它芯片的接口设计不好，不仅无法体现其低功耗的特点，而且会降低数据传输的可靠性，甚至会损害芯片。本文中介绍的几种方法，经实验验证具有较高的可靠性。
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