如何設(shè)計(jì)DSP處理器的電源?

為了滿足4G-LTE基站的需求，DSP制造商在其處理器中提供了更強(qiáng)大的處理能力和更大的吞吐量。這些多核處理器許多以GHz的速度運(yùn)行并使用加速器來提高吞吐量。雖然這些新特性通過支持更多的通道提高了基站的密度，但也迫使設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出功率更高且仍魯棒的電源。不良的電源可能會(huì)導(dǎo)致電壓偏低或電流提供能力不足，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生無法預(yù)測的邏輯故障。一個(gè)好的DSP電源應(yīng)有能力對(duì)負(fù)載暫態(tài)提供足夠電流，有能力處理浪涌電流，并在啟動(dòng)時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)電源排序。

隨著手機(jī)普遍從單純的通訊工具演變成包含Web和電子郵件訪問能力的設(shè)備，滿足用戶對(duì)無線數(shù)據(jù)服務(wù)的需求已成為無線運(yùn)營商面臨的新挑戰(zhàn)。在過去，有線連接可通過增加額外的線纜來提高帶寬。遺憾的是，對(duì)于無線公司，要提高數(shù)據(jù)傳輸速度和容量就必須創(chuàng)造新的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。無線技術(shù)從基于調(diào)頻無線電的蜂窩技術(shù)(1G)發(fā)展到基于CDMA的GSM(2G)，然后發(fā)展到基于CDMA2000的技術(shù)(3G)。為滿足新的LTE/WiMAX(4G)標(biāo)準(zhǔn)的要求，DSP處理器需處理更大的數(shù)據(jù)吞吐量，處理器的處理復(fù)雜性大大增加。

為復(fù)雜的DSP處理器設(shè)計(jì)良好的電源是非常重要的。良好的電源應(yīng)有能力應(yīng)付動(dòng)態(tài)負(fù)載切換并可以控制在高速處理器設(shè)計(jì)中存在的噪聲和串?dāng)_。DSP處理器中的不斷變化的瞬態(tài)是由高開關(guān)頻率和轉(zhuǎn)進(jìn)/轉(zhuǎn)出低功耗模式造成的。依賴于電源設(shè)計(jì)的帶寬和布局，這些快速變化的瞬態(tài)過程可能引起較高的電壓下降。電源也應(yīng)有能力處理總線競爭和去耦電容放電所引起的大幅度的浪涌電流。如果沒有能力管理較大的電流，輸出電壓可能會(huì)降到處理器電壓最大容許范圍之外。

設(shè)計(jì)人員在選擇DSP電源時(shí)首先需選定穩(wěn)壓器的類型。穩(wěn)壓器可分為兩大類，即線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器。由于采用了由一個(gè)導(dǎo)通元件和一個(gè)誤差放大器組成的簡單拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，線性穩(wěn)壓器易于使用。線性穩(wěn)壓器的主要優(yōu)點(diǎn)是，由于通常環(huán)路帶寬較高，輸出噪聲低且瞬態(tài)性能較好，主要缺點(diǎn)是在大負(fù)載和在輸入和輸出之間壓差較大時(shí)效率低。線性穩(wěn)壓器功耗的計(jì)算公式為：

輸入電壓通常為5V或3.3V，輸出電壓則降至1.0V至1.2V。這個(gè)電壓差乘以5A或更大的負(fù)載電流，可能產(chǎn)生超出線性穩(wěn)壓器承受能力的功耗。因此，處理器電源通常選用開關(guān)穩(wěn)壓器。開關(guān)穩(wěn)壓器使用電感和電容來存儲(chǔ)和傳輸從輸入到輸出的能量。由于導(dǎo)通元件并非常通并一直向輸出端傳輸功率，這種結(jié)構(gòu)的效率高于線性穩(wěn)壓器。開關(guān)穩(wěn)壓器可采用脈沖頻率調(diào)制(PFM)和脈沖寬度調(diào)制(PWM)。PFM型開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)是輕載效率高，由于DSP頻繁轉(zhuǎn)進(jìn)/轉(zhuǎn)出低功耗模式，這是一項(xiàng)非常重要的特性。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是，由于在每個(gè)周期開始時(shí)有大量的電流傳送到輸出端，其噪聲通常高于PWM穩(wěn)壓器。通過在輸出端額外添加電容可降低這個(gè)噪聲。PWM穩(wěn)壓器工作在一個(gè)固定的頻率，通過改變脈沖寬度來保持正確的輸出電壓。一般來說，PWM穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)在較高頻率運(yùn)行時(shí)，噪音低且使用的元件較小。不過，它們確實(shí)有輕載效率低的缺點(diǎn)，對(duì)于在低功耗模式下運(yùn)行的處理器，這個(gè)缺點(diǎn)可能會(huì)帶來問題。

在任何DSP處理器的數(shù)據(jù)手冊中，電源電壓容差都是一項(xiàng)重要的指標(biāo)。對(duì)于給處理器供電的電源，必須滿足的要求是永遠(yuǎn)不降到這個(gè)指標(biāo)之外。要滿足這個(gè)指標(biāo)，電源面臨著許多必須克服的挑戰(zhàn)，因而，在選擇電源時(shí)需要仔細(xì)考慮各種因素。電源的輸出電壓精度在這個(gè)容差中占有很大一部分。例如，一款典型的DSP處理器可能要求1.2V的內(nèi)核電壓和1.8V的I/O電源電壓，容差均為5%。如果電源的過熱輸出精度為2%，那么，設(shè)計(jì)師只有3%的裕量來克服其它障礙。幸運(yùn)的是，電源的輸入電壓是相對(duì)穩(wěn)定的，借助于良好的去耦電容布局，設(shè)計(jì)人員不必?fù)?dān)心線穩(wěn)壓指標(biāo)。但是，設(shè)計(jì)人員必須關(guān)注負(fù)載穩(wěn)壓指標(biāo)，因?yàn)镈SP處理器需承受多重負(fù)載并需進(jìn)出低功耗模式。典型的負(fù)載穩(wěn)壓指標(biāo)可能在0.2%到0.5%之間，是電源總?cè)莶畹闹匾M成部分。

最后，負(fù)載變化將不但會(huì)影響穩(wěn)壓，而且由于其快速變化的動(dòng)態(tài)特性，將給電源帶來幅度大且速度快的負(fù)載暫態(tài)。要在這些動(dòng)態(tài)暫態(tài)過程中保持輸出電壓，電源做出的反應(yīng)必須足夠快且強(qiáng)烈。大容量的輸出電容有助于緩解電壓下降，但這個(gè)功率大部分將來自電源的環(huán)路帶寬和增益。電源的環(huán)路帶寬決定了電源對(duì)負(fù)載變化做出反應(yīng)的速度有多快，而增益決定了反應(yīng)的強(qiáng)度。圖1表明，當(dāng)容差為5%時(shí)，負(fù)載穩(wěn)壓和電源精度已經(jīng)用去了2.2%，只為電源留下33mV來應(yīng)付處理器可能承受的任何暫態(tài)。在為DSP選擇電源時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要密切關(guān)注這些指標(biāo)和電源的負(fù)載暫態(tài)行為。

圖1： DSP處理器的電壓容差。

人們常常低估電源良好布局的重要性，但事實(shí)上，它可以對(duì)滿足總的電源容差要求起到很大作用。正確放置去耦電容可以幫助降低噪聲和串?dāng)_，這對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓器尤為重要。把開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入電容放在接近輸入引腳的地方可大幅度減小輸入電源中的偏差。這反過來可減小線暫態(tài)的影響并可把輸出偏差減小0.2%到0.5%?？紤]到大多數(shù)DSP的電壓容差為5%，這是一個(gè)不小的量。應(yīng)把去耦電容和電感放在靠近該器件的地方以減小電流環(huán)。

在開關(guān)穩(wěn)壓器中，開關(guān)節(jié)點(diǎn)是電壓在近似地電壓到輸入電壓之間切換的高頻節(jié)點(diǎn)。布局不當(dāng)可導(dǎo)致開關(guān)節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)中的其它信號(hào)相互干擾。圖2顯示了一個(gè)正確的開關(guān)穩(wěn)壓器布局，電流環(huán)小并靠近穩(wěn)壓器。紅色連線是大功率和開關(guān)連接，必須在物理上靠近該器件以盡量減小噪聲和串?dāng)_。藍(lán)色連線是噪聲敏感的連接，布線時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離開關(guān)節(jié)點(diǎn)。在外部元件中，CIN和COUT應(yīng)放在最靠近該器件的地方。

圖2：開關(guān)穩(wěn)壓器的布局考慮。

MICREL公司的MIC22950提供了一種為DSP處理器內(nèi)核供電的理想解決方案。大多數(shù)DSP制造商認(rèn)為DSP電源應(yīng)提供內(nèi)核最大耗流(計(jì)算值)兩倍的電流，MIC22950具有10A的電流輸出能力，可避免發(fā)生供流能力不足的情況。圖3給出了MIC22950的框圖。MIC22950的一個(gè)重要特性是帶有用于解決浪涌電流問題的斜度控制(RC)功能。電容上電流的計(jì)算公式為：

其中C是電容，ΔV是電容兩端的電壓，ΔT是時(shí)間?？梢酝ㄟ^控制輸入電壓的時(shí)間斜度來控制浪涌電流。通過聯(lián)合使用RC引腳和上電復(fù)位(POR)引腳，MIC22950可以解決在DSP處理器中的排序問題。DSP數(shù)據(jù)手冊中包含電源接通和關(guān)斷的排序信息。通過聯(lián)合使用RC引腳和POR引腳，設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)加窗排序、延時(shí)排序和按比例排序。

圖3：MIC22950的框圖

MIC22950的輸出電壓精度為2%，有能力滿足DSP處理器苛刻的容差范圍要求。其負(fù)載穩(wěn)壓范圍為0.2%，還余下超過2.8%可用于克服由處理器快速切換產(chǎn)生的任何負(fù)載瞬態(tài)。圖4顯示了在MIC22950上輸出電流從1A變化到10A時(shí)的負(fù)載瞬態(tài)。通常，DSP處理器不會(huì)有這樣大的負(fù)載瞬態(tài)，但即使出現(xiàn)這樣的情況，在輸出電壓為1.8V時(shí)，MIC22950的輸出電壓變化小于50mV，低于2.8%的偏差要求。

圖4：MIC22950的線瞬態(tài)。

MIC22950也是使用SuperThermal(tm) FET技術(shù)的新系列產(chǎn)品的成員。該公司已經(jīng)發(fā)布了MIC22400、MIC22600和MIC22700，分別具有提供4A、6A和7A輸出電流的能力。通過使用該技術(shù)，MICREL公司使MIC22950成為業(yè)內(nèi)現(xiàn)有的功率密度最高的產(chǎn)品之一。輸出功率與封裝尺寸之比可作為功率密度的度量。由于基站的板空間是受限的，設(shè)計(jì)人員不能無限制地增大電源的尺寸。所以，設(shè)計(jì)人員會(huì)選擇功率密度最高的器件，在確保電路得到足夠功率的同時(shí)盡可能節(jié)省寶貴的電路板空間。MIC22950的功率密度為0.4A/mm2，而業(yè)內(nèi)大多數(shù)其它產(chǎn)品的功率密度仍低于0.23A/mm2。

MIC23153是一款為DSP的I/O電壓供電的理想解決方案。具有2A電流能力并采用新的HyperLight Load(tm)(HLL)架構(gòu)，MIC23153可在輕載和重載時(shí)都非常高效地提供功率。對(duì)于輕載應(yīng)用，HLL架構(gòu)使用存儲(chǔ)在輸出電容中的電荷來維持輸出電壓。由于負(fù)載電流低，輸出電壓的下降將需要更長的時(shí)間。在關(guān)機(jī)狀態(tài)，除誤差比較器