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。


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xx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xx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{zd0}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{zd1}电压，VIH表示输入高电平的{zd1}电压，VIL表示输入低电平的{zg}电压，VOL表示输出低电平的{zg}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，{zh0}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80C250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{zd0}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。（完）