用智能解決方案為處理器供電

為滿足3G-LTE基站的要求，DSP處理器的處理能力和吞吐量都在提高。這些多核處理器很多都具備GHz級(jí)速度，并使用加速器來提高吞吐量。盡管這些新特性通過支持更多的信道提高了基站的密度，但也給設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出功率更高、魯棒性更好的電源增加了難度。質(zhì)量不好的電源可造成電壓下降或電流不夠，從而導(dǎo)致隨機(jī)邏輯故障。設(shè)計(jì)良好的DSP電源可為負(fù)載瞬變提供足夠的電流，能夠處理浪涌電流，并準(zhǔn)確執(zhí)行啟動(dòng)電源序列。

隨著移動(dòng)電話普遍從單純的溝通媒介向網(wǎng)絡(luò)訪問和電子郵件功能轉(zhuǎn)變，滿足客戶對(duì)無線數(shù)據(jù)服務(wù)的需求，已成為無線運(yùn)營商面臨的一個(gè)新挑戰(zhàn)。過去，有線連接可以通過增加更多電纜來提高帶寬。不幸的是，對(duì)無線運(yùn)營商而言，提高數(shù)據(jù)速度和容量的方法要求他們創(chuàng)造出新的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。這樣，從最初的FM無線蜂窩技術(shù)(1G)轉(zhuǎn)變到CDMA GSM(2G)，然后又轉(zhuǎn)變到CDMA2000(3G)。為滿足全新的LTE/WiMAX(4G)標(biāo)準(zhǔn)的要求，用以處理更高吞吐量的DSP處理器的處理復(fù)雜度顯著增加。

為復(fù)雜DSP處理器設(shè)計(jì)良好的電源，其重要性不應(yīng)被忽視。良好的電源應(yīng)能應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)載切換狀況，并仍能控制高速處理器設(shè)計(jì)中的噪聲和串?dāng)_。DSP處理器中的動(dòng)態(tài)瞬變是由很高的開關(guān)頻率和進(jìn)出低功率模式過程所造成的。這些快速瞬變可能會(huì)造成很大的電壓陡降(取決于電源設(shè)計(jì)的帶寬和布局)。此外，電源還應(yīng)能夠處理總線沖突和去耦電容器充電導(dǎo)致的大浪涌電流。如果電源沒有管理較大電流的能力，輸出電壓便會(huì)下降到低于處理器所能容忍的最低電壓。

當(dāng)選擇DSP電源時(shí)，選擇穩(wěn)壓器類型是設(shè)計(jì)人員首先要做的決策之一。有兩種穩(wěn)壓器類型，即線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器易于使用，因?yàn)樗鼈兊耐負(fù)浜唵?，由一個(gè)導(dǎo)通元件與一個(gè)錯(cuò)誤放大器組合而成。眾所周知，線性穩(wěn)壓器的輸出噪音較低，瞬態(tài)性能也較好，這是因?yàn)榄h(huán)路帶寬通常較高。線性穩(wěn)壓器的主要缺點(diǎn)是在高負(fù)載下及輸入輸出電壓差距較大時(shí)，效率較低。功率損耗的計(jì)算公式如下：

通常，輸入電壓為5V或3.3V，輸出電壓會(huì)降到1.0~1.2V。兩者的差距在經(jīng)過5A或更高的負(fù)載放大后，可導(dǎo)致超出線性穩(wěn)壓器設(shè)備能夠接受的功率損耗。因此，給處理器供電的普遍選擇是開關(guān)穩(wěn)壓器。開關(guān)穩(wěn)壓器采用一個(gè)電感器和一個(gè)電容器，在輸入輸出之間實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和傳輸。由于導(dǎo)通元件并不是始終導(dǎo)通并向輸出端傳輸能量，所以與線性穩(wěn)壓器相比，開關(guān)穩(wěn)壓器的能效更高。開關(guān)穩(wěn)壓器可提供脈沖頻率調(diào)制(PFM)和脈沖寬度調(diào)制(PWM)兩種類型。PFM開關(guān)穩(wěn)壓器的輕負(fù)載能效較高，這對(duì)DSP處理器進(jìn)出低功耗模式而言非常重要。該技術(shù)的缺點(diǎn)在于噪音一般比PWM穩(wěn)壓器大，因?yàn)槊總€(gè)周期開始都會(huì)有大量電流涌向輸出。通過在輸出端添加電容可降低這種噪聲。PWM穩(wěn)壓器工作在固定頻率下，通過不斷改變脈沖寬度來保持正確的輸出電壓。一般情況下，PWM穩(wěn)壓器的噪音更低，工作在更高頻率下可采用更小的元件。但是，它們?cè)谳p負(fù)載下的能效較低，這會(huì)使處理器在低功率模式下出現(xiàn)問題。

對(duì)于每一個(gè)DSP處理器數(shù)據(jù)規(guī)格來說，電源電壓的容差都是非常重要的一項(xiàng)指標(biāo)。為處理器供電的電源絕對(duì)不能超出容差范圍。為滿足這一規(guī)定，電源必須能應(yīng)對(duì)諸多挑戰(zhàn)，因此必須謹(jǐn)慎規(guī)劃方能找到合適的電源。電源的輸出電壓精度可在很大程度上影響容差。例如，典型的 DSP 處理器需要1.2V的內(nèi)核電壓和1.8V的輸入/輸出電壓，容差均為5%。如果電源的過熱輸出精度為2%，那么設(shè)計(jì)人員將只有3%的容差余地來滿足其他方面的要求。幸運(yùn)的是，電源的輸入電壓相對(duì)穩(wěn)定，并且通過對(duì)去耦電容器進(jìn)行精心布局，設(shè)計(jì)人員無須擔(dān)心線性調(diào)整方面的規(guī)范。但是，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)負(fù)載調(diào)整規(guī)范多加注意，因?yàn)镈SP處理器將面臨多個(gè)負(fù)載以及進(jìn)出多個(gè)低功率模式的情況。一般的負(fù)載調(diào)整規(guī)范可能有0.2~0.5%的變動(dòng)，這進(jìn)一步影響了電源的總?cè)莶?。最后，?fù)載變化將不僅影響到調(diào)整，還會(huì)因其快速動(dòng)態(tài)特性造成電源出現(xiàn)較大的快速負(fù)載瞬變。電源的響應(yīng)必須快速而有力度，才能在這些動(dòng)態(tài)瞬變中保持輸出電壓的穩(wěn)定。大型輸出電容器將有助于緩解電壓下降，但大部分電能都將來自電源的環(huán)路帶寬和增益。電源的環(huán)路帶寬決定電源應(yīng)對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)速度，而增益則可顯示反應(yīng)的強(qiáng)度。

圖1：DSP處理器的電源容差。

圖1顯示了在5%的容差下，負(fù)載調(diào)整和精度已經(jīng)占用了2.2%的容差，電源僅有33mV余量應(yīng)對(duì)處理器可能遇到的任何瞬變。在選擇 DSP電源時(shí)，設(shè)計(jì)人員需謹(jǐn)慎處理這些規(guī)范和電源的負(fù)載瞬變行為。

圖2：開關(guān)穩(wěn)壓器的布局因素。

電源設(shè)計(jì)的良好布局的優(yōu)勢(shì)經(jīng)常會(huì)被設(shè)計(jì)人員所忽視。正確放置去耦電容器，特別是對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓器而言，有助于最大限度地降低噪聲和串?dāng)_。將開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入電容器放在靠近輸入引腳的位置，可大大降低輸入電源偏差。這反過來又可最大程度地降低線性瞬變的影響，并將輸出偏差降低0.2~0.5%。鑒于大多數(shù)DSP的容差均為5%，因此這是一個(gè)相當(dāng)可觀的數(shù)字。去耦電容器和電感器應(yīng)放在器件附近，以保持較小的電流環(huán)路。開關(guān)穩(wěn)壓器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)高頻節(jié)點(diǎn)，電壓從近似接地電壓切換到VIN。不適當(dāng)?shù)牟季挚赡軐?dǎo)致開關(guān)節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)中的其他信號(hào)相互干擾。圖2顯示了一個(gè)合適的開關(guān)穩(wěn)壓器布局，其電流環(huán)路較小且靠近穩(wěn)壓器。紅色連線表示大功率和切換連接。這些連接必須在物理上靠近器件以保持環(huán)路最小。藍(lán)色連線表示噪聲敏感的連接，應(yīng)從開關(guān)節(jié)點(diǎn)處引出。外部元件CIN和COUT應(yīng)放在離器件最近的位置。

圖3：MIC22950結(jié)構(gòu)圖。

MIC22950是提高DSP處理器內(nèi)核電壓的理想解決方案。大多數(shù)DSP制造商都認(rèn)為，提供至少兩倍于計(jì)算出的最大內(nèi)核電流消耗的電流，是一種好的實(shí)踐方法。而MIC22950具備10A的輸出電流能力，能避免電流不夠的情況發(fā)生。圖3是MIC22950的結(jié)構(gòu)框圖。MIC22950的一個(gè)關(guān)鍵特性是斜坡控制(RC),可用來解決浪涌電流問題。電容器電流的計(jì)算公式如下：

其中,C為電容，ΔV為流過電容器的電壓，ΔT為時(shí)間。通過控制輸入電壓的時(shí)間斜坡，浪涌電流可得到控制。通過結(jié)合使用RC引腳和電源開啟重置(POR)引腳，MIC22950可解決DSP處理器的電源序列問題。電源根據(jù)DSP數(shù)據(jù)表中的順序進(jìn)行開啟和關(guān)閉。通過結(jié)合使用RC引腳和POR引腳，設(shè)計(jì)人員可執(zhí)行窗口式、延遲式和比例式電源序列。

MIC22950的輸出電壓精度為2%，能滿足DSP處理器的嚴(yán)格容差要求。針對(duì)處理器快速切換速度造成的任何負(fù)載舜變，0.2%的負(fù)載調(diào)整能力可提供大于2.8%的容差。圖4是MIC22950從1A到10A的負(fù)載瞬變響應(yīng)。通常，DSP處理器不會(huì)出現(xiàn)如此大的負(fù)載瞬變，但即使在這種情況下，MIC22950的電壓變化在輸出電壓為1.8V時(shí)也未超過50mV，變化幅度小于2.8%。

圖4：MIC22950的線性瞬變響應(yīng)。

MIC22950還是采用全新SuperThermal FET技術(shù)的產(chǎn)品系列的新成員。MIC22400、MIC22600和MIC22700已經(jīng)面市，它們分別能提供4A、6A和7A的輸出電流。通過將SuperThermal技術(shù)運(yùn)用到MIC22950中，Micrel實(shí)現(xiàn)了一款業(yè)界功率密度最高的產(chǎn)品。功率密度由輸出功率與封裝尺寸的比值計(jì)算得出。由于基站的板上空間并非無限，所以設(shè)計(jì)人員不能無限制地提高電源尺寸。這促使設(shè)計(jì)人員選擇功率密度最高的器件，以確保在不占用多余的寶貴板上空間的情況下獲得足夠的電能。MIC22950的功率密度為0.4A/mm2，而業(yè)界大多數(shù)同類產(chǎn)品都在 0.23A/mm2以下。

MIC23153是DSP I/O電壓供電的理想解決方案。它具備2A的電流容量和全新的HyperLight Load(HLL)架構(gòu)，在輕重負(fù)載下均可提供高效的電能。對(duì)于輕負(fù)載應(yīng)用，HLL架構(gòu)使用存儲(chǔ)在輸出電容內(nèi)部的電池來提供輸出電壓。鑒于負(fù)載電流較低，輸出電壓將能維持較長時(shí)間而不會(huì)下降。在關(guān)閉狀態(tài)下，MIC23153將禁用電流環(huán)路中除錯(cuò)誤比較器和能帶隙以外的所有器件，從而節(jié)省更多電能。一旦輸出電壓降至能帶隙電壓以下，HLL架構(gòu)便會(huì)發(fā)出信號(hào)，啟用高壓側(cè)的晶體管。已獲專利的Micrel架構(gòu)采用僅在必要時(shí)打開輸出的方式，利用PFM確保輕負(fù)載狀態(tài)下的高效工作。對(duì)于重負(fù)載情況，MIC23153則以固定頻率的PWM模式工作，兼具PFM和PWM 穩(wěn)壓器的雙重優(yōu)勢(shì)。

MIC23153的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是具備“電源正常(PG)”功能。連接到輸出電壓后，PG引腳將在輸出電壓高于設(shè)定電壓的92%時(shí)設(shè)置為“高”。該引腳可與電壓.和MIC22950一同使用，協(xié)助實(shí)現(xiàn)DSP處理器所需的電源序列。

隨著無線市場的發(fā)展，無線標(biāo)準(zhǔn)、無線技術(shù)以及電源行業(yè)也必須適應(yīng)跟上永遠(yuǎn)變化的市場步伐。DSP處理器的集成和處理速度變得越來越快，這也為其電源設(shè)計(jì)帶來了更多壓力。了解相關(guān)規(guī)范和謹(jǐn)慎布局的重要性后，設(shè)計(jì)人員便可設(shè)計(jì)出魯棒的大功率電源。