新型DC-DC開關轉換器設計：在DSP系統(tǒng)中延長電池壽命
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引言
長期以來，MP3播放器、個人媒體播放器、數(shù)碼相機以及其他便攜式消費類應用的設計人員面臨的一項挑戰(zhàn)是實現(xiàn)產品的高性能和低功耗。這些電池供電系統(tǒng)通常都使用嵌入式數(shù)字信號處理器（DSP），當系統(tǒng)處理多媒體應用任務時，DSP能達到最大處理能力，而當系統(tǒng)處于睡眠模式時，DSP具有最小的功耗。電池壽命在手持式產品中是非常重要的指標，產品成功與否與供電系統(tǒng)的效率直接相關。
此類系統(tǒng)中的一個關鍵部件是降壓式DC-DC開關穩(wěn)壓器，它能夠高效地從較高電壓獲得較低的供電電壓，如從4.5 V獲得1V的供電電壓。作為穩(wěn)壓器，其必須保持恒定的電壓，而且能夠對輸入電壓的變化以及負載電流的變化迅速做出響應。本文將討論的架構具有優(yōu)良的穩(wěn)壓性能以及高效率和快速響應的優(yōu)點。
開關穩(wěn)壓器剖析
圖1示出了ADI公司ADP2102的典型應用電路，這是一款低占空比、3 MHz同步整流降壓轉換器。ADP2102具有固定輸出電壓和可調輸出電壓的多種配置。這里將ADP2102連接成固定輸出電壓配置，由5.5 V的輸入電壓產生300mA、0.8 V輸出電壓。接下來給出輸出電壓可調的應用示例。
圖1. 使用ADP2102由5.5 V輸入產生0.8 V輸出
這里將簡單地解釋該電路的工作原理：將DC輸出電壓的分壓與誤差放大器中的內部參考源比較，然后將誤差放大器的輸出與電流采樣放大器的輸出比較，以驅動單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在由VOUT/VIN確定的時間周期內處于暫穩(wěn)態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器使上面的門控晶體管導通，電感L1中的電流逐漸變大。當單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)結束時，晶體管截止，電感L1中的電流逐漸變小。在由最小關斷時間定時器和最?。ā肮戎怠保╇娏鞔_定的時間間隔之后，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器再次被觸發(fā)。芯片內的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)定時器使用輸入電壓前饋，使得穩(wěn)態(tài)時保持恒定的頻率。
該振蕩以不確定的頻率（大約為3MHz）持續(xù)進行，但是在必要的情況下可以響應線路和負載的瞬態(tài)變化而偏離該頻率，以便輸出電壓保持恒定，并且使電感電流的平均值保持在輸出負載所需要的電流值。
上文描述的方法是相對新穎的。多年來，DC-DC變換的主要方法是恒頻峰值電流方法，當該方法在降壓式DC-DC轉換器中實現(xiàn)時，其還被稱為后沿調制。有關該方法的詳細描述、對其優(yōu)缺點的評估以及上文描述的恒定導通時間谷值電流模式轉換器，請參考其他技術文章。
ADP2012還具有欠壓閉鎖功能、軟啟動功能、過熱保護功能和短路保護功能，并且具有±1%的反饋精度。該架構能夠使主開關的導通時間低至60 ns或更低。
圖2示出了不同條件下的典型波形。圖2a示出了在ILOAD=600mA，電壓從VIN=5.5V減小到VOUT=0.8V時的低占空比。如圖中所示，在3MHz的開關頻率下，可以獲得45 ns的最小導通時間。
圖2b示出了負載電流突增300mA時，負載電流和電感電流波形。
圖2c示出了負載電流突減300mA時，負載電流和電感電流波形。
圖2d示出了在占空比為50%時不存在次諧波振蕩，而使用峰值電流模式控制時必須在設計時加以考慮。當占空比大于或小于50％時，同樣不存在次諧波振蕩。
圖 2a. VIN = 5.5 V， VOUT = 0.8 V， 最小導通時間=45 ns
圖 2b. 突加負載瞬態(tài)響應（ILOAD = 300 mA）
圖2c. 突減負載瞬態(tài)響應 （ILOAD = 300 mA）
圖2d. 占空比 = 50%， VIN = 3.3 V， VOUT = 1.8 V， ILOAD = 300 mA
DSP應用中的動態(tài)電壓調節(jié)
在使用DSP的便攜式應用中，通常由開關轉換器提供DSP的內核電壓和I/O電壓，這需要使用電池供電應用的高效率DC-DC轉換器。提供內核電壓的穩(wěn)壓器必須能夠基于處理器的時鐘速度動態(tài)改變電壓或者按照軟件的指令動態(tài)改變電壓。另外，整體解決方案的小尺寸也同樣重要。
這里描述的是，在電池供電的應用中將Blackfin?處理器的內部穩(wěn)壓器更換為外部高效率穩(wěn)壓器，以提高系統(tǒng)供電效率。而且，這里還介紹了用于外部穩(wěn)壓器的控制軟件。
動態(tài)電源管理
處理器的功耗與工作電壓（VCORE）的平方成正比，并且與工作頻率（FSW）成正比。因此，降低頻率能夠使動態(tài)功耗線性下降，而降低內核電壓可以使動態(tài)功耗指數(shù)下降。
在對功耗敏感的應用中，當DSP僅簡單地監(jiān)視系統(tǒng)活動或者等待外部觸發(fā)信號時，在保持供電電壓不變的情況下改變時鐘頻率，這對降低功耗是非常有用的。然而，在高性能電池供電的應用中，僅改變頻率并不能顯著節(jié)約電能。Blackfin處理器以及其他的具有高級電源管理功能的DSP可以依次改變內核電壓和頻率，由此可以在任何情況下均實現(xiàn)最優(yōu)的電池利用。
ADSP-BF53x系列Blackfin處理器中的動態(tài)電壓的穩(wěn)壓通常是由內部電壓控制器和外部MOSFET實現(xiàn)的。該方法的優(yōu)點在于，可以將單電壓（VDDEXT）施加到DSP子系統(tǒng)，從MOSFET得到的所需的內核電壓（VDDINT）。通過內部寄存器可以軟件控制內核電壓，以便于控制MIPS，并且最終控制能耗，由此實現(xiàn)最優(yōu)的電池壽命。
為了完整地實現(xiàn)Blackfin內部穩(wěn)壓方案，需要一個外部MOSFET、肖特基二極管、大電感和多個輸出電容器，該解決方案價格相對昂貴，效率卻很差，而且占用的PCB板面積是相對較大的，這給系統(tǒng)設計人員帶來了很大的矛盾，在集成穩(wěn)壓器中需要使用大電感和電容器，不利于消費者所希望的便攜式設備盡可能小型化。該集成穩(wěn)壓控制器的效率是相對較低，通常僅為50%~70%，因此該方法不太適用于高性能手持式電池供電應用。
外部穩(wěn)壓
通過新型DC-DC開關轉換器設計方法，可以將Blackfin集成方法本身的效率提高到90%或更高。而且，在使用外部穩(wěn)壓器時可以減小外部元件的尺寸。
還可以使用多種動態(tài)電壓調整（DVS）控制方案，包括開關電阻器（其在某些情況中可由DAC實現(xiàn)）和脈寬調制（PWM）（其可以實現(xiàn)與內部方法相同的精度）。不論使用哪種方案，其必須能夠通過軟件控制改變穩(wěn)壓電平。上述穩(wěn)壓控制方法在內部穩(wěn)壓器是集成的，而在外部穩(wěn)壓中必須通過外加器件來實現(xiàn)。
本文描述了兩種使用ADP2102同步DC-DC轉換器調節(jié)DSP內核電壓的方法，當處理器在低時鐘速度下運行時，可動態(tài)地將內核電壓從1.2 V調節(jié)到1.0V。
ADP2102高速同步開關轉換器在由2.7V~5.5V的電池電壓供電時，可以使內核電壓低到0.8 V。其恒定導通時間的電流模式控制以及3MHz開關頻率提供了優(yōu)良的動態(tài)響應、非常高的效率和出色的源調整率和負載調整率。較高的開關頻率允許系統(tǒng)使用超小型多層電感和陶瓷電容器。ADP2102采用3 mm×3 mm LFCSP封裝，節(jié)約了空間，僅需要三或四個外部元件。而且ADP2102包括完善的功能，諸如各種安全特征，如欠壓閉鎖、短路保護和過熱保護。
圖3示出了實現(xiàn)DVS的電路。ADSP-BF533 EZ-KIT Lite? 評估板上的3.3 V電源為降壓轉換器ADP2102供電，使用外部電阻分壓器R1和R2將ADP2102的輸出電壓設定為1.2 V。DSP的GPIO引腳用于選擇所需的內核電壓。改變反饋電阻值可以在1.2 V~1.0 V的范圍內調節(jié)內核電壓。通過與R2并聯(lián)的電阻R3，N溝MOSFET可以修改分壓器。相比于R3，IRLML2402的RDSon 較小，僅為0.25 Ω。3.3 V的GPIO電壓用于驅動MOSFET的柵極。為了獲得更好的瞬態(tài)性能并改善負載調整率，需要加入前饋電容器CFF。
圖3. 使用外部MOSFET和Blackfin PWM控制進行ADP2102的動態(tài)電壓調整
對于雙電平開關，一般的應用要求是：
DSP內核電壓 （VOUT1） = 1.2 V
DSP內核電壓 （VOUT2） = 1.0 V
輸入電壓 = 3.3 V
輸出電流 = 300 mA
使用高阻值的分壓電阻可將功率損失降到最低。前饋電容在開關過程中降低柵漏電容的影響。通過使用較小的反饋電阻和較大的前饋電容可以使該暫態(tài)過程中引起的過沖或下沖最小，但這是以額外的功耗為代價的。
圖4示出了輸出電流IOUT、輸出電壓VOUT和控制電壓VSEL。VSEL為低電平時，輸出電壓為1.0 V，VSEL為高電平時，輸出電壓為1.2 V。
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