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，但也給設計人員設計出功率更高、魯棒性更好的電源增加了難度。質量不好的電源可造成電壓下降或電流不夠，從而導致隨機邏輯故障。設計良好的DSP電源可為負載瞬變提供足夠的電流，能夠處理浪涌電流，并準確執(zhí)行啟動電源序列。

隨著移動電話普遍從單純的溝通媒介向網絡訪問和電子郵件功能轉變，滿足客戶對無線數(shù)據服務的需求，已成為無線運營商面臨的一個新挑戰(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，對無線運營商而言，提高數(shù)據速度和容量的方法要求他們創(chuàng)造出新的技術和標準。這樣，從最初的FM無線蜂窩技術(1G)轉變到CDMA GSM(2G)，然后又轉變到CDMA2000(3G)。為滿足全新的LTE/WiMAX(4G)標準的要求，用以處理更高吞吐量的DSP處理器的處理復雜度顯著增加。

為復雜DSP處理器設計良好的電源，其重要性不應被忽視。良好的電源應能應對動態(tài)負載切換狀況，并仍能控制高速處理器設計中的噪聲和串擾。DSP處理器中的動態(tài)瞬變是由很高的開關頻率和進出低功率模式過程所造成的。這些快速瞬變可能會造成很大的電壓陡降(取決于電源設計的帶寬和布局)。此外，電源還應能夠處理總線沖突和去耦電容器充電導致的大浪涌電流。如果電源沒有管理較大電流的能力，輸出電壓便會下降到低于處理器所能容忍的最低電壓。

當選擇DSP電源時，選擇穩(wěn)壓器類型是設計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)壓器和開關穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器易于使用，因為它們的拓撲簡單，由一個導通元件與一個錯誤放大器組合而成。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，這是因為環(huán)路帶寬通常較高。線性穩(wěn)壓器的主要缺點是在高負載下及輸入輸出電壓差距較大時，效率較低。功率損耗的計算公式如下：

通常，輸入電壓為5V或3.3V，輸出電壓會降到1.0~1.2V。兩者的差距在經過5A或更高的負載放大后，可導致超出線性穩(wěn)壓器設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穩(wěn)壓器。開關穩(wěn)壓器采用一個電感器和一個電容器，在輸入輸出之間實現(xiàn)能量的存儲和傳輸。由于導通元件并不是始終導通并向輸出端傳輸能量，所以與線性穩(wěn)壓器相比，開關穩(wěn)壓器的能效更高。開關穩(wěn)壓器可提供脈沖頻率調制(PFM)和脈沖寬度調制(PWM)兩種類型。PFM開關穩(wěn)壓器的輕負載能效較高，這對DSP處理器進出低功耗模式而言非常重要。該技術的缺點在于噪音一般比PWM穩(wěn)壓器大，因為每個周期開始都會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，它們在輕負載下的能效較低，這會使處理器在低功率模式下出現(xiàn)問題。

對于每一個DSP處理器數(shù)據規(guī)格來說，電源電壓的容差都是非常重要的一項指標。為處理器供電的電源絕對不能超出容差范圍。為滿足這一規(guī)定，電源必須能應對諸多挑戰(zhàn)，因此必須謹慎規(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%，那么設計人員將只有3%的容差余地來滿足其他方面的要求。幸運的是，電源的輸入電壓相對穩(wěn)定，并且通過對去耦電容器進行精心布局，設計人員無須擔心線性調整方面的規(guī)范。但是，設計人員必須對負載調整規(guī)范多加注意，因為DSP處理器將面臨多個負載以及進出多個低功率模式的情況。一般的負載調整規(guī)范可能有0.2~0.5%的變動，這進一步影響了電源的總容差。最后，負載變化將不僅影響到調整，還會因其快速動態(tài)特性造成電源出現(xiàn)較大的快速負載瞬變。電源的響應必須快速而有力度，才能在這些動態(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)路帶寬決定電源應對負載變化的響應速度，而增益則可顯示反應的強度。

圖1：DSP處理器的電源容差。

圖1顯示了在5%的容差下，負載調整和精度已經占用了2.2%的容差，電源僅有33mV余量應對處理器可能遇到的任何瞬變。在選擇 DSP電源時，設計人員需謹慎處理這些規(guī)范和電源的負載瞬變行為。

圖2：開關穩(wěn)壓器的布局因素。

電源設計的良好布局的優(yōu)勢經常會被設計人員所忽視。正確放置去耦電容器，特別是對開關穩(wěn)壓器而言，有助于最大限度地降低噪聲和串擾。將開關穩(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%，因此這是一個相當可觀的數(shù)字。去耦電容器和電感器應放在器件附近，以保持較小的電流環(huán)路。開關穩(wěn)壓器的開關節(jié)點是一個高頻節(jié)點，電壓從近似接地電壓切換到VIN。不適當?shù)牟季挚赡軐е麻_關節(jié)點與系統(tǒng)中的其他信號相互干擾。圖2顯示了一個合適的開關穩(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。藍色連線表示噪聲敏感的連接，應從開關節(jié)點處引出。外部元件CIN和COUT應放在離器件最近的位置。

圖3：MIC22950結構圖。

MIC22950是提高DSP處理器內核電壓的理想解決方案。大多數(shù)DSP制造商都認為，提供至少兩倍于計算出的最大內核電流消耗的電流，是一種好的實踐方法。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的結構框圖。MIC22950的一個關鍵特性是斜坡控制(RC),可用來解決浪涌電流問題。電容器電流的計算公式如下：

其中,C為電容，ΔV為流過電容器的電壓，ΔT為時間。通過控制輸入電壓的時間斜坡，浪涌電流可得到控制。通過結合使用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DSP數(shù)據表中的順序進行開啟和關閉。通過結合使用RC引腳和POR引腳，設計人員可執(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處理器的嚴格容差要求。針對處理器快速切換速度造成的任何負載舜變，0.2%的負載調整能力可提供大于2.8%的容差。圖4是MIC22950從1A到10A的負載瞬變響應。通常，DSP處理器不會出現(xiàn)如此大的負載瞬變，但即使在這種情況下，MIC22950的電壓變化在輸出電壓為1.8V時也未超過50mV，變化幅度小于2.8%。

圖4：MIC22950的線性瞬變響應。

MIC22950還是采用全新SuperThermal FET技術的產品系列的新成員。MIC22400、MIC22600和MIC22700已經面市，它們分別能提供4A、6A和7A的輸出電流。通過將SuperThermal技術運用到MIC22950中，Micrel實現(xiàn)了一款業(yè)界功率密度最高的產品。功率密度由輸出功率與封裝尺寸的比值計算得出。由于基站的板上空間并非無限，所以設計人員不能無限制地提高電源尺寸。這促使設計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，在輕重負載下均可提供高效的電能。對于輕負載應用，HLL架構使用存儲在輸出電容內部的電池來提供輸出電壓。鑒于負載電流較低，輸出電壓將能維持較長時間而不會下降。在關閉狀態(tài)下，MIC23153將禁用電流環(huán)路中除錯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架構便會發(fā)出信號，啟用高壓側的晶體管。已獲專利的Micrel架構采用僅在必要時打開輸出的方式，利用PFM確保輕負載狀態(tài)下的高效工作。對于重負載情況，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。

MIC23153的另一個優(yōu)勢是具備“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定電壓的92%時設置為“高”。該引腳可與電壓.和MIC22950一同使用，協(xié)助實現(xiàn)DSP處理器所需的電源序列。

隨著無線市場的發(fā)展，無線標準、無線技術以及電源行業(yè)也必須適應跟上永遠變化的市場步伐。DSP處理器的集成和處理速度變得越來越快，這也為其電源設計帶來了更多壓力。了解相關規(guī)范和謹慎布局的重要性后，設計人員便可設計出魯棒的大功率電源。