開關(guān)電源設(shè)計：上網(wǎng)本處理器電源設(shè)計要點

由于更高的集成度、更快的處理器運行速度以及更小的特征尺寸，內(nèi)核及I/O電壓的負載點(POL)處理器電源設(shè)計變得越來越具挑戰(zhàn)性。處理器技術(shù)的發(fā)展必須要和POL電源設(shè)計技術(shù)相匹配。對當(dāng)今的高性能處理器而言,5年或10年以前使用的電源管理解決方案可能已不再行之有效。

因此，當(dāng)為德州儀器(TI)的DaVinci數(shù)字信號處理器(DSP)進行POL電源解決方案設(shè)計時，充分了解基本電源技術(shù)可以幫助克服許多設(shè)計困難。本文以一個基于TI電源管理產(chǎn)品的電源管理參考設(shè)計為例，討論一系列適用于DaVinci處理器的電源去耦、浪涌電流、穩(wěn)壓精度和排序技術(shù)。

大型旁路去耦電容

處理器所使用的全部電流除了由電源本身提供以外，處理器旁路和一些電源的大型電容也是重要來源。當(dāng)處理器的任務(wù)級別(levelofactivity)急劇變化而出現(xiàn)陡峭的負載瞬態(tài)時，首先由一些本地旁路電容提供瞬時電流，這種電容通常為小型陶瓷電容，可快速響應(yīng)對負載變化。

隨著處理速度的增加，對于更多能量存儲旁路電容的需求變得更為重要。另一個能量來源是電源的大電容。為避免出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，一定要確保電源的穩(wěn)定性，且可利用增加的旁路電容正確地啟動。因此，必須保證對電源反饋回路進行補償以適應(yīng)額外的旁路電容。電源評估板(EVM)在試驗臺上可能非常有效，但在負載附近增加了許多旁路電容的情況下，其性能可能會發(fā)生變化。

作為一個經(jīng)驗法則，可以通過在盡可能靠近處理器電源引腳的地方放置多個0603或0402電容(60用于內(nèi)核電壓，而30則用于DM6?43的I/O電壓)，將DaVinci電源電壓的系統(tǒng)噪聲進行完全去耦。更小型的0402電容是更好的選擇，因為其寄生電感較小。較小的電容值(如560pF)應(yīng)該最接近電源引腳，其距離僅為1.25cm。其次最接近電源引腳的是中型旁路電容(如220nF)。TI建議每個電源至少要使用8個小型電容和8個中型電容，并且應(yīng)緊挨著BGA過孔安裝(占用內(nèi)部BGA空間，或者至少應(yīng)在外部角落處)。在更遠一點的地方，可以安裝一些較大的大型電容，但也應(yīng)該盡可能地靠近處理器。

浪涌電流

具有大旁路電容的電源存在啟動問題，因為電源可能無法對旁路電容充電，而這正是啟動期間滿足處理器要求所需要的。因此，在啟動期間，過電流可能會引起電源的關(guān)斷，或者電壓可能會暫時下降(變?yōu)榉菃握{(diào)狀態(tài))。一個很好的設(shè)計實踐是確保電壓在啟動期間不下降、過沖或承受長時間處于高壓狀態(tài)。為減少浪涌電流，可通過增加內(nèi)核電壓電源的啟動時間，來允許旁路電容緩慢地充電。許多DC/DC調(diào)節(jié)器都具有獨特的可調(diào)軟啟動引腳，以延長電壓斜坡時間。如果調(diào)節(jié)器不具有這種軟啟動引腳，那么可利用一個外部MOSFET以及一種RC充電方案，從外部對其進行實施。

本文推薦使用一種帶有電流限制功能的DC/DC調(diào)節(jié)器，來幫助維持單調(diào)的電壓斜坡。采用軟啟動方案有助于滿足DaVinci處理器的排序要求。

上電排序

越來越多的處理器廠商提供推薦的內(nèi)核及I/O上電排序的時序準(zhǔn)則。一旦獲知時序要求，POL電源設(shè)計人員便可選擇一種適當(dāng)?shù)募夹g(shù)。對雙路電源上電和斷電的方法有很多種，其中順序排序和同時排序是最為常用。

當(dāng)在內(nèi)核和I/O上電之間要求一個較短的毫秒級時間間隔時，可以采用任何順序?qū)嵤╉樞蚺判颉嵤╉樞蚺判虻囊环N方法是只需將一個穩(wěn)壓器的PWERGOOD引腳連接至另一個穩(wěn)壓器的ENABLE引腳。當(dāng)內(nèi)核和I/O電壓差在上電和斷電期間需要被最小化時，就需要使用同時排序。為實施同時排序，內(nèi)核和I/O電壓應(yīng)彼此緊密地跟蹤，直到達到較低的理想電壓電平。此外，較低的內(nèi)核電壓達到了其設(shè)定值要求，而較高的I/O電壓將可以繼續(xù)上升至其設(shè)定值。

在自升壓模式中，DaVinci處理器要求對CVDD和CVDDDSP內(nèi)核電源進行同時排序。在主機升壓模式中，CVDD必須斜坡上升，并在CVDDSP開始斜坡上升以前達到其設(shè)置值(1.2V)。作為一個最大值，CVDDDSP電源必須在關(guān)閉(開啟)“始終開啟”和DSP域之間的短路開關(guān)以前上電?？梢砸匀魏雾樞騿覫/O電源(DVDD18、DVDDR2和DVDD33)，但必須在CVDD電源100ms的同時達到設(shè)定值。

穩(wěn)壓精度

影響電源系統(tǒng)的電壓容差有幾個因素，其中電壓基準(zhǔn)精度是最重要的一個因素，可在電源管理器件的產(chǎn)品說明書中找到其規(guī)范。新型穩(wěn)壓器要求達到±1%的精度或更高的溫度基準(zhǔn)精度。一些成本較低的穩(wěn)壓器可能要求±2%或±3%的基準(zhǔn)電壓精度。請在產(chǎn)品說明書中查看穩(wěn)壓器廠商的相關(guān)規(guī)范，以確保穩(wěn)壓精度可以滿足處理器的要求。另一個影響穩(wěn)壓精度的因素是穩(wěn)壓器外部反饋電阻的容差。

在要求精確容差值的情況下，推薦使用±1%的容差電阻。另外，在將這種電阻用于編程輸出電壓時，將會帶來額外±0.5%的容差，具體的計算公式為：輸出電壓精度=2*(1-VREF/VOUT)*TOLRES

第三個影響因素是輸出紋波電壓。一個優(yōu)良的設(shè)計實踐是針對低于1%輸出電壓的峰峰輸出電壓進行設(shè)計，它可使電源系統(tǒng)的電壓容差增加±0.5%。假設(shè)基準(zhǔn)精度為±2%，那么這三個影響因素加在一起將使電源系統(tǒng)精度為±3%。

DaVinciCVDD電源要求一個可帶來±4.2%精度、50mV容差的1.2V典型內(nèi)核電源。3.3VDVDD電源具±4.5%精度、150mV的容差，而1.8VDVDD電源則具有±5%精度、90mV的容差。使穩(wěn)壓器靠近負載以減少路徑損耗非常重要。需要注意的是，如果電源具有3%的容差，且處理器內(nèi)核電壓要求4.2%容差，則必須對去耦網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計，以便實現(xiàn)1.2V電壓軌[4]的1.2%精度或14mV容差。

歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)顯示，內(nèi)核電壓隨著處理技術(shù)的發(fā)展而不斷降低。對內(nèi)核電壓稍作改變，便可提供更高的性能，或節(jié)省更多電量。選擇一個具有可編程輸出電壓和±3%以內(nèi)輸出電壓容差的穩(wěn)壓器是一種較好的設(shè)計方法。相比從零開始重新設(shè)計一種全新的電源，簡單的電阻器變化或引腳重新配置要容易得多。因此，最好選擇一款可以支持低至0.9V或更低輸出電壓的穩(wěn)壓器，以便最大化地重用，并幫助簡化TI片上系統(tǒng)(SoC)器件未來版本的使用。

參考設(shè)計

我們構(gòu)建了若干個電源管理參考設(shè)計，并進行數(shù)字音頻/視頻應(yīng)用的測試。這些設(shè)計均采用TI的TMS320DM6?43和TMS320DM6?46處理器，這些處理器能滿足排序、電壓精度和啟動要求。圖1是12V電源的參考設(shè)計電路圖。該設(shè)計采用TPS62111同步降壓轉(zhuǎn)換器、TPS62040同步降壓轉(zhuǎn)換器以及TPS73618低壓降調(diào)節(jié)器，它們分別提供3.3V、1.2V和1.8V電壓軌。這種參考設(shè)計包含一個簡單的外部MOSFET、電阻和電容延遲電路，以使3.3V電壓軌能滿足自升壓模式排序方案要求。TPS62040不但提供1.2V的內(nèi)核電壓，而且還可滿足引腳5軟啟動電容的排序要求。這種解決方案的容差為±3%，效率在90%以上。為滿足主機升壓模式排序方案要求，可以將一個類似的MOSFET、電阻以及電容電路增加到1.2V電壓軌。

圖1：12V電源的參考設(shè)計電路圖。

圖2是復(fù)位電路。該電路采用TPS3808和TPS3803電源電壓監(jiān)控器來監(jiān)控電壓軌的變化情況。請采用最小值的TPS3808G01(U5)來設(shè)計復(fù)位電路電源。如果需要大于3.3V電壓軌/1.5A電流和1.2V電壓軌/1.2A電流，那么TPS54350和TPS54110SWIFTDC/DC轉(zhuǎn)換器可能會被分別用于實現(xiàn)3A和1.5A電流。SWIFT穩(wěn)壓器具有基于DaVinci技術(shù)的數(shù)字視頻EVM的特點。如欲了解更多采用了線性調(diào)節(jié)器、TPS40KDC/DC轉(zhuǎn)換器、TPS62xxxDC/DC轉(zhuǎn)換器或多輸出電源管理單元(PMU)的5V和12V輸入電源

圖2：軌電壓復(fù)位和電壓監(jiān)控電路。

一旦充分了解去耦、排序和容差要求，為DaVinci處理器設(shè)計一款電源解決方案就變得非常簡單明了。在為所有高性能處理器設(shè)計電源時，堅持使用上述技術(shù)是相當(dāng)不錯的設(shè)計實踐。如果還需要其他支持，可從TI獲取一些參考設(shè)計以加速產(chǎn)品上市進程。