移动设备处理器供电设计
发布时间：2010-6-22 14:25
发布者：我芯依旧
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PDA、智能电话以及便携式导航系统等由电池供电的手持设备通常由基于高级RISC架构的处理器控制。这些处理器具有多种节电模式。空闲与睡眠模式可以通过关闭相关块的时钟信号来断开一部分不使用的内部电路，从而降低处理器功耗。另外，也可以在某些节电模式下通过关闭或降低供电电压实现上述目的。 高级处理器要求采用不同的电压供电，这一要求可通过转换器来满足，如标准的低压降(LDO)或降压转换器。降压转换器可以利用锂离子电池在输出电压低于3.3V的情况下提供更高的效率。不过，LDO对于某些电源电压更理想。产生处理器内部时钟信号的锁相环(PLL)对任何噪声都非常敏感，因此需要采用LDO转换器来驱动PLL。实际上，在5mA～30mA电流范围内不会影响整体效率，实时时钟(RTC)同样如此。在1.8V I／O电压的应用中，可以通过该电压轨为PLL-LDO供电，从而使其输出电压达到1.3V，效率达到72％。 由于需要多种不同的电压，因此，要在单个封装中集成多个转换器，这样就可以通过单个电源芯片提供不同的电压，从而无需采用带有附加电路的芯片便可为处理器排序，并产生正确的复位信号。 有多种处理器可通过减少内部时钟来降低功耗。另外，处理器的内核供电电压可以随时钟频率的降低而降低。内核电压可以设定为较低的固定电压，也可以根据内部时钟频率与"工作负载"缩放到最低与最高电压之间的任何电压值，这种方法称为动态电压缩放(DVS)。提供内核电压的转换器必须能够在运行过程中根据DVS规范降低输出电压。 在此需要考虑两个参数，即输出电压范围及电压变化期间的斜率。在电压发生变化的DVS周期中，必须控制输出电压的斜率，采用外部组件可以实现控制，如采用能够在内部降低参考电压变化的调节速度的电容器，或者部署能够通过较小的步长(如25mV)将输出电压从初始值调节到目标值的数字计数器等。电源的内部寄存器用于设置不同步长之间的定时。因此，移动处理器的电源通常包含用于控制其功能的数字接口。 为了给不同电源轨供电，TPS65020集成了3个高效的同步降压转换器和2个LDO。另外，它还具备监控电池电压以及为处理器提供复位与唤醒信号所需的所有电路(见图1)。
输出电压设定 不断降低的电压电平对输出电压的精度也提出了更高的要求，对于内核供电尤为如此。因此，电源设计师很难利用标准器件来满足相关需求。TPS65020中所实现的转换器的输出电压可以通独特的方式设定。DEFDCDCx引脚可用于设定输出电压以及反馈分压器的数字或模拟输入。如果采用外部反馈分压器，则电阻器的容差会增加内部电路的总容差，其中主要是带隙电压容差。此类系统中的整体精度始终低干采用内部固定输出电压的解决方案，尽管后者需要2个额外的外接组件。 因此，对于采用在工作过程中能够微调的内部电阻分压器的转换器而言，需要定义一系列不同的电压。通过这种方案可以在-40℃～85℃温度范围内达到±1％的整体DC精度。利用内部高精度电阻分压器，DEFDCDCx引脚还可以用于将电压设定到两个不同的预定义输出电压之一。例如，通过将DEFDCDC1连接至Vbat可以将DCDC1转换器的电压设定为3.3V，或者通过将DEFDCDC1连接到GND将它的电压设定为3.0V。 为了在不同的负载情况下实现最佳的瞬态响应或较低的输出电压容差，还必须采取其他措施，除了内部设计之外，还必须优化外部元件。在提高电感降压转换器(inductive step-down converter)的输出电流时，必须从一开始就通过输出电容器提供电流。这是因为只能根据电感器电压和电感值、按照特定斜率提高电感器中的电流。对于较低的电感值，电流能够以较快的速度提高，这尤其适合快速瞬态响应。另外，在每个转换周期中，能量都存储在电感器中，它与电感值以及电感器中电流的平方成正比。在消除负载电流的情况下(即使不需要)也必须为输出提供能量。能量转移到输出电容器，为电容器充电，使其达到更高的值。在瞬态情况下，如果没有负载，则较低的电感值较为有利，因为它将按照较低的电压仅为输出电容器充电并且具有较低的电压过冲。 瞬态响应 为了采用小电感器，如2.2μH，设计的转换器必须能够以高开关频率运行。这是为了把电感器电流纹波控制在可接受的范围内。TPS65020可以在1.5MHz开关频率条件下工作，因此允许采用2.2μH的小电感器和22μF陶瓷输出电容器。为了降低瞬态电压，可以将输出电容器提高到更高的值(见图2)。
某些应用仅降低内部时钟频率，而不改变电源电压。这些应用无需连接电源芯片的数字接口，从而简化了包括软件在内的整体设计。 在TPS65020中，LDO电压为SRAM预设为1.1V，而为其他器件中的PLL设为1.3V。可以利用I2C接口改变电压。不过，未采用接口的设计无法实现多种电压。因此，TPS65021可以用于提供一种在不采用I2C接口的情况下设定输出电压和内部LDO的方法。两个外部引脚可以采用数字方式设定默认值。 引脚DEFLDO1与DEFLDO2用于为内部LDO设置4种不同的电压组合，从而使其能够灵活地适应各种不同的便携应用。 除了降低便携应用的处理器功耗之外，最新的处理器和电源技术还可以通过降低开关损耗提高效率，尤其是对于电感降压转换器。对于低输出电流，可以通过降低通常称为脉冲频率模式(PFM)的开关频率进一步降低开关损耗。同步整流可以在低输出电压时保持较高的效率。这是因为与外部整流二极管相比，内部N通道MOS(NMOS)的压降更低，从而在集成整流器开关之后可以显著提高应用的效率并降低应用的尺寸。只要电源芯片所需的电源电流较低，低输出电流时的低开关损耗就可以实现高效的电源。为了实现最低的电源电流，需要相应的内部参考电压、比较器、驱动器和放大器。利用上述措施可以在广泛的输出电流范围内实现超过95％的效率。 除了高效率之外，瞬态响应也是处理器电源芯片的重要因素。内核电压需要严格稳压，其中包括负载变化过程的电压变化。具备快速电压模式控制拓扑的TPS65020可以提供理想的瞬态响应，且不会影响静态电流和效率。 |
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