PDA/智能電話動(dòng)態(tài)核的電源管理

前言

　　隨著PDA/智能電話體積的縮小和更長(zhǎng)的電池使用時(shí)間的要求，電源管理成為達(dá)到這些設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵因素；電源管理控制器包含多組直流電源轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓器、電壓檢測(cè)器及控制接口，使用集成電源管理控制器可以節(jié)省控制器本身、外圍元件占用的空間和成本，提高電源轉(zhuǎn)換效率并適時(shí)地關(guān)閉或調(diào)整輸出電壓，進(jìn)而達(dá)到更長(zhǎng)的電池使用時(shí)間，利用集成電源控制器還可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)、縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間，本文就電源管理控制器及其核電源輸出電壓響應(yīng)時(shí)間及電壓調(diào)整詳加討論。

圖一所示為MAX1586集成電源管理控制器，其包含了：

前言

　　隨著PDA/智能電話體積的縮小和更長(zhǎng)的電池使用時(shí)間的要求，電源管理成為達(dá)到這些設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵因素；電源管理控制器包含多組直流電源轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓器、電壓檢測(cè)器及控制接口，使用集成電源管理控制器可以節(jié)省控制器本身、外圍元件占用的空間和成本，提高電源轉(zhuǎn)換效率并適時(shí)地關(guān)閉或調(diào)整輸出電壓，進(jìn)而達(dá)到更長(zhǎng)的電池使用時(shí)間，利用集成電源控制器還可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)、縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間，本文就電源管理控制器及其核電源輸出電壓響應(yīng)時(shí)間及電壓調(diào)整詳加討論。

圖一所示為MAX1586集成電源管理控制器，其包含了：

    三組直流電源轉(zhuǎn)換器（PWM REG1、2、3）

    三組穩(wěn)壓器(LDO REG4、5、6)

    兩組電壓檢測(cè)器

    串行端口控制接口

　　圖一中第一組轉(zhuǎn)換器（PWM REG1）主要用于外圍接口供電，預(yù)設(shè)輸出電壓3.3V、3.0V或由分壓電阻調(diào)節(jié)，最大輸出電流1.3A，可供給內(nèi)部處理器、控制器外圍接口或是CF適配卡、SD適配卡等外圍電路；第二組轉(zhuǎn)換器（PWM REG2）主要用于內(nèi)存供電，預(yù)設(shè)輸出電壓2.5V、1.8V或由分壓電阻調(diào)節(jié)，最大輸出電流0.9A;這兩組轉(zhuǎn)換器內(nèi)部各有一個(gè)并聯(lián)的穩(wěn)壓器，當(dāng)輸出負(fù)載很小時(shí)，可以關(guān)閉DC-DC轉(zhuǎn)換器，改由穩(wěn)壓器輸出，以減少控制器的工作電流，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)換效率。

　　新一代中央處理器為求更省電，核心電源采用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整，MAX1586第三組電源轉(zhuǎn)換器(PWM REG3)用來(lái)供給CPU核電源，其輸出電壓可通過(guò)串口控制，輸出范圍可由0.7V調(diào)至1.475V，當(dāng)CPU工作在不同模式時(shí)，所需核心電壓也不同，例如在全速運(yùn)行時(shí)需要1.3V，當(dāng)進(jìn)入省電模式時(shí)工作頻率下降，可能只需要1.0V的供電電壓，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整CPU的運(yùn)行速度及核心電壓，進(jìn)而達(dá)到更省電的要求。每次調(diào)整輸出電壓時(shí)，輸出電壓轉(zhuǎn)變時(shí)間由RAMP引腳外接電容決定，選擇適當(dāng)?shù)碾娙萜饕苑螩PU對(duì)于核電壓動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換的要求。

 
圖一、MAX1586電源管理控制器

二、中央處理器核電壓轉(zhuǎn)變時(shí)間的設(shè)定

　　當(dāng)由串口控制調(diào)整輸出電壓時(shí)，內(nèi)部DAC輸出電壓也隨之改變，DAC輸出通過(guò)連接至RAMP引腳，而RAMP引腳外接一個(gè)電容，在MAX1586設(shè)計(jì)中第三組直流電源轉(zhuǎn)換器(PWM REG3)輸出電壓反饋點(diǎn)FB3的電壓和RAMP引腳電壓成正比，可得下式：

　　其中因DAC輸出電壓改變，RAMP引腳電壓按照電阻、電容決定的充放電時(shí)間而變化：

　　其中為RAMP引腳外接電容的容量，為電壓變化量；

　　以1.3V切換至1.0V，為例，可以得到圖二所示結(jié)果：

　　利用一個(gè)簡(jiǎn)單的近似方法可以快速得到轉(zhuǎn)變時(shí)間：2.2倍時(shí)間常數(shù)約等于輸出電壓從10%變化至90%所需時(shí)間，以為例,

 
時(shí)間常數(shù)

　　因而得到輸出電壓轉(zhuǎn)變所需時(shí)間約為330uS，如輸出電壓從1.0V變化至1.3V，也就是輸出電壓變化斜率為。

三、調(diào)高中央處理器核電壓

　　當(dāng)CPU工作頻率愈高，所需核電壓也愈高，當(dāng)所需最高電壓高于原來(lái)的最大值1.475V時(shí)，簡(jiǎn)單地修改外圍電路就可將輸出電壓調(diào)至所需電壓，下面給出了兩種調(diào)整方式：調(diào)高比例及調(diào)高電壓方式。

　?。ㄒ唬?調(diào)高比例
　　
　　圖三(a)、（b）為兩種調(diào)高比例方式，分別在反饋點(diǎn)或RAMP引腳加入輸出反饋電壓，以達(dá)到調(diào)高電壓的目地。在圖三(a)中，使用兩個(gè)分壓電阻在輸出端及反饋點(diǎn)FB3，可按照固定比例調(diào)高電壓，輸出電壓和分壓電阻、及RAMP引腳電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系式如下：

　　圖二、1.3V至1.0V輸出電壓轉(zhuǎn)變時(shí)間

　　以，，為例，

　　最高電壓由1.475V變?yōu)?.55V，原本25mV的級(jí)差變?yōu)?6mV，而輸出電壓轉(zhuǎn)變時(shí)間維持不變。

　　在圖三(b)中，使用電阻連接RAMP引腳及輸出，可按照固定比例調(diào)高電壓。

　　其中為內(nèi)部DAC輸出電壓

　　以原本最高1.475V為例，

　　若希望調(diào)高后電壓為1.55V，則必須為：

　　可得

　　由于電阻的關(guān)系，RAMP引腳電壓的時(shí)間常數(shù)也隨之改變：

　　在RAMP引腳可以得到

　　代入

　　整理后可以得到:

　　可以得到微分方程式：

　　圖三（a）、比例調(diào)整方法一

　　圖三(b)、比例調(diào)整方法二

　　而、、為己知值，可以得到：

　　，其中

　　假設(shè)電壓從1.3V變至1.0V，

　　，
　　
　　得，

　　新的時(shí)間常數(shù)為：，而原時(shí)間常數(shù)，只有的變化，輸出電壓轉(zhuǎn)變時(shí)間常數(shù)改變很小。

　　（二） 電壓調(diào)整法
　　
　　圖四中，用電阻連接與參考電壓，兩個(gè)分壓電阻、連接在輸出端和反饋點(diǎn)FB3，可以調(diào)高輸出電壓，，為固定電壓，分析如下：

圖四、電壓調(diào)整法

　　,而，可得

　　可以設(shè)定及

　　因而得到

　　簡(jiǎn)化及可以得到：

　　及

　　代入，，及

　　得到

　　假設(shè)，其中
　　
　　可得:

　　假設(shè)，，，，可以得到固定的電壓變化。

結(jié)論

　　MAX1586電源控制器能夠提供PDA或智能電話所需的大部份電源管理控制，本文對(duì)CPU核電壓轉(zhuǎn)變時(shí)間控制、調(diào)高輸出電壓的方式以及改變后CPU核電壓轉(zhuǎn)變時(shí)間的變化作了詳細(xì)推導(dǎo)，利用簡(jiǎn)單的外圍線路就可調(diào)高CPU核電壓以達(dá)到CPU對(duì)于輸出電壓的要求，適合更高工作頻率的CPU，使得MAX1586在PDA或智能電話的應(yīng)用上更有彈性。