通過調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器優(yōu)化 DSP 功率預(yù)算

系統(tǒng)級(jí)節(jié)電與功率預(yù)算優(yōu)化是許多應(yīng)用的關(guān)鍵。例如，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商努力控制能耗，便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)人員力圖降低流耗實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的電池使用壽命，而通信系統(tǒng)則需要降低工作溫度提高穩(wěn)定性。電源設(shè)計(jì)主要規(guī)范的當(dāng)前著眼點(diǎn)是：1）在整個(gè)負(fù)載電流范圍內(nèi)最大限度提高效率；和 2) 根據(jù)負(fù)載需要自適應(yīng)縮放輸出電壓。

使用電壓識(shí)別 (VID) 調(diào)節(jié)輸出電壓是滿足這些需求的方法之一。當(dāng)然，在英特爾和 AMD 提供的眾所周知的自適應(yīng)電壓縮放 (AVS) 規(guī)范基礎(chǔ)上，VID 可編程性已經(jīng)在微處理器應(yīng)用的 DC/DC 內(nèi)核電壓穩(wěn)壓器中得到了廣泛使用。然而，這些 VID 控制器建立在多相位降壓拓?fù)浠A(chǔ)之上，在特性上專門圍繞超大電流需求進(jìn)行了定制。

DSP、FPGA 以及 ASIC 現(xiàn)在具有類似的功能，可根據(jù)器件活動(dòng)、電源及時(shí)鐘域配置、工作模式以及工作溫度，實(shí)現(xiàn)最大限度的功耗降低。雖然支持 VID^[1]的數(shù)字化脈寬調(diào)制器 (PWM) 控制器解決方案可用來滿足這一需求，但確實(shí)也需要對(duì)無處不在地模擬控制負(fù)載點(diǎn) (POL) 穩(wěn)壓器進(jìn)行輸出電壓數(shù)字化調(diào)節(jié)。在調(diào)節(jié)過程中，可輕松調(diào)整模擬電源實(shí)施（或許已經(jīng)完成設(shè)計(jì)或已經(jīng)通過測(cè)試臺(tái)測(cè)試），滿足其它方案無法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)級(jí)功率預(yù)算與成本目標(biāo)要求。

數(shù)字輸出電壓調(diào)節(jié)

鑒于上述設(shè)計(jì)目標(biāo)中的優(yōu)勢(shì)利益，TI 現(xiàn)在提供一款 VID 編程器^[2]作為專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 (ATSP)。圖1是用于補(bǔ)充模擬型 POL DC/DC 解決方案的LM10011，其包含高精度數(shù)字可編程電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (IDAC)，支持模式可選 4 位及 6 位 VID 接口。IDAC_OUT 引腳的精確 DC 電流與 4 位或 6 位數(shù)字輸入字成比例，可輸入到輸出穩(wěn)壓環(huán)路的反饋 (FB) 節(jié)點(diǎn)。隨著輸入字的累加，IDAC_OUT 電流可降低，從而可根據(jù)穩(wěn)壓器反饋電阻器調(diào)高輸出電壓設(shè)置點(diǎn)。FB 節(jié)點(diǎn)一般由模擬控制環(huán)路的誤差放大器保持在恒定電壓下。

圖1：常規(guī)POL穩(wěn)壓器與電流DAC配對(duì)，構(gòu)成6位數(shù)字VID接口

該實(shí)施過程中最為重要的是 VID 解決方案與模擬 POL 穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)方案的兼容性。POL 可有效部署為 DSP 的從設(shè)備。根據(jù)設(shè)計(jì)，該 IDAC 解決方案可幫助 DSP 及其它數(shù)字負(fù)載實(shí)現(xiàn)其全面的節(jié)電性能，降低功耗，例如在通信基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中。實(shí)際上，該款 VID 解決方案主要用于與任何 POL 穩(wěn)壓器一起工作，調(diào)節(jié) KeyStone? 多核 DSP^[3]等支持 VID 功能的處理器的內(nèi)核電壓 (VCORE)。

DSP內(nèi)核電源

圖 2 是同步降壓 POL 穩(wěn)壓器提供的、具有內(nèi)核電壓 CVDD 的多核 DSP 原理圖。電源級(jí)包括 15A 電壓模式穩(wěn)壓器、560nH 電感器以及陶瓷輸入輸出濾波器電容器^[2]。來自 DSP 的 6 位 VID 命令有助于根據(jù) DSP 性能要求的不斷變化調(diào)節(jié)輸出電壓 V_OUT。

圖2：使用可調(diào)節(jié)性受VID控制的同步降壓穩(wěn)壓器為支持內(nèi)核電壓軌的多核DSP/SoC平臺(tái)供電

根據(jù)圖2所示的系統(tǒng)實(shí)施方案，具體控制方案針對(duì) 6 位 VID 使用了 4 線 (VCNTL) 接口，從而可在 VID 工作中實(shí)現(xiàn)更高的分辨率或精細(xì)粒度。IDAC_OUT 電流具有 59.2μA 的最大滿量程范圍 (VID[5:0] = 000000b = code 0)。在 6 位模式下，這可提供分辨率為 940nA 的 64 種設(shè)置以及優(yōu)于 1% 的誤差精度。

輸出電壓由 DSP 判定為電壓介于 0.7V 至 1.103V 之間的電平。這相當(dāng)于 V_OUT調(diào)節(jié)分辨率為 403mV/63 或 6.4mV。壓擺限制可防止輸出發(fā)生突變。而 VID 的抗尖峰脈沖濾波器則可提供噪聲抗擾度（實(shí)際上是在 VID 線路的轉(zhuǎn)換與 IDAC_OUT 電流的后續(xù)變化之間添加一個(gè)小小的延遲）。在接收到 VID 命令之前的啟動(dòng)過程中，IDAC_OUT 電流可根據(jù) R_SET值，假設(shè)為 16 個(gè)分立電平之一。這允許 DSP 的內(nèi)核電壓在各種電平下上電，實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)靈活性與可靠性。

但值得注意的是具體的 DSP 可能無法支持所有的電壓或范圍。例如對(duì) KeyStone I DSP 而言，預(yù)期工作范圍在代碼 31 和 50 之間（0.905V 至 1.020V）^[4]。圖2中LM10011的電源電壓來自輸入總線。另一種選項(xiàng)是使用 PWM 控制器提供的、或系統(tǒng)中其它地方（如果有）提供的額定 3.3V 或 5V 偏置電壓軌。無需在 DSP 和電流 DAC 之間使用電平轉(zhuǎn)換器或膠合邏輯。

圖 3 是有關(guān) VID 接口及相關(guān)定時(shí)細(xì)節(jié)更加詳細(xì)的說明。VCNTL[2:0] 可為每個(gè) VID 代碼承載兩位數(shù)據(jù)。處于低或高電平的 VID 分別可用來選擇較低及較高的數(shù)位，而處于高電平的 VIDS 也可鎖存 VID 命令，從而可使用 40μs 時(shí)間常數(shù)初始化 IDAC_OUT 的電流變化。因此每次電壓調(diào)整都要求從 DSP 到控制器的兩次對(duì)頭拼接的訪問。第一次訪問寫入較低的三位，第二次訪問寫入較高的三位。

圖3：6位模式VID通信定時(shí)圖

使用 VID GUI 軟件^[5]可記錄啟動(dòng)時(shí)輸出電壓波形和跟隨高、低 VID 轉(zhuǎn)換的瞬態(tài)響應(yīng)，如圖4所示。輸入電壓為 5.3V。和預(yù)想的一樣，輸出電壓轉(zhuǎn)換發(fā)生在 VIDS 信號(hào)的上升沿。

圖4：a)單調(diào)啟動(dòng)到預(yù)設(shè)值；b)跟隨VID轉(zhuǎn)換31 dec-50dec-31dec的輸出電壓。

總結(jié)

本文中我們簡(jiǎn)單淺顯地探討了與 DSP 功率預(yù)算優(yōu)化有關(guān)的種種挑戰(zhàn)，介紹了一種通過 VID 接口來使用低成本模擬 POL 控制器的簡(jiǎn)單方法。文中包括主要的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)與電路實(shí)施。這種方法復(fù)雜性低，簡(jiǎn)單易用，適用于功率及 BOM 優(yōu)化的應(yīng)用，可充分滿足其隨時(shí)存在的上市時(shí)間及成本限制需求。簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確和低成本是重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

參考資料

1. 了解有關(guān)LM92x 數(shù)字電源控制器的更多詳情；
2. LM10011 VID 編程器；
3. 觀看本視頻，深入了解第一個(gè) VID 編程器；
4. 進(jìn)一步了解支持 SmartReflex 的 KeyStone 多核 DSP SoC；
5. 下載KeyStone I 器件的硬件設(shè)計(jì)指南；
6. 下載LM10011 GUI 設(shè)計(jì)工具軟件。