單電池DSP的電源供給系統(tǒng)

介紹
今天，要滿(mǎn)足便攜式數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）解決方案的電源需求，有多種不同的方法可供選擇。正常情形下，需要兩個(gè)系統(tǒng)電壓：一個(gè)給DSP核使用，另一個(gè)則支持DSP的I/O單元和系統(tǒng)的其余部分。這類(lèi)應(yīng)用的主要考慮因素之一，是電源供給器必須擁有很高的工作效率以延長(zhǎng)電池的供電時(shí)間。本文將介紹一些直流電壓轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì)方式，并以MP3網(wǎng)絡(luò)音頻播放機(jī)為范例，解釋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，并分析電源的工作效能、轉(zhuǎn)換效率以及成本。

問(wèn)題
今天的DSP組件大都需要兩組電源，而且所能容忍的誤差范圍有限，因此不可能將電池的輸出直接送給它們使用，而必須設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)闹绷麟妷恨D(zhuǎn)換解決方案。

負(fù)載則是另一項(xiàng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，圖1以網(wǎng)絡(luò)音頻播放機(jī)評(píng)估模塊為例，顯示了核心與系統(tǒng)供給電流的瞬時(shí)變動(dòng)。當(dāng)評(píng)估模塊工作時(shí)，會(huì)有不同的軟件程序依續(xù)執(zhí)行，例如喚醒DSP來(lái)服務(wù)DMA中斷要求、執(zhí)行譯碼的工作、或是存取媒體中的資料，這些都會(huì)反映在核心與系統(tǒng)電流的瞬時(shí)變動(dòng)方面。由于核心與系統(tǒng)都必須使用同樣的電源，因此當(dāng)電流脈沖同時(shí)出現(xiàn)的時(shí)候，系統(tǒng)的工作就可能發(fā)生問(wèn)題。因此，工程師必須用很低的成本提供很高的工作效能，特別是對(duì)于使用電池的產(chǎn)品，當(dāng)要求電源供給電路擁有高工作效能的時(shí)候，就表示它必須提供最大的電源轉(zhuǎn)換效率以及很長(zhǎng)的電池使用時(shí)間。

圖1. 網(wǎng)絡(luò)音頻評(píng)估模塊的DSP輸入電流（核心與系統(tǒng)）

直流電壓轉(zhuǎn)換器解決方案
以下將介紹直流電壓轉(zhuǎn)換器的不同設(shè)計(jì)方式，它們都可支持DSP核心與系統(tǒng)電路 (這些電路都需要兩組電源供給)。我們會(huì)用TI（德州儀器公司）的網(wǎng)絡(luò)音頻播放機(jī)評(píng)估模塊來(lái)實(shí)驗(yàn)這些設(shè)計(jì)，這套評(píng)估模塊采用了一個(gè)TMS320VC5410 DSP組件，需要3.3 V的系統(tǒng)電源以及2.5 V的DSP核電源。

這里所介紹的直流電壓轉(zhuǎn)換器都必須同時(shí)支持堿性電池、鎳鎘電池或是鎳錳氫電池，因此必須能夠應(yīng)付0.9～3.0 V范圍的輸入電壓；另一方面，因?yàn)橄到y(tǒng)必須使用3.3 V的電壓，而這已高于最大的輸入電壓，因此需要一套升壓方案。本文將討論三種不同的電路：第一種電路是使用一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，然后在后面串接另一個(gè)LDO穩(wěn)壓器；第二種方法是利用一個(gè)可提供兩組輸出電壓的「馳反式轉(zhuǎn)換器」（flyback converter）；最后一種電路則是在升壓轉(zhuǎn)換器的后面串接一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器。

1. 升壓轉(zhuǎn)換器與一個(gè)線(xiàn)性穩(wěn)壓器串聯(lián)
圖2是第一種解決方案，也是最簡(jiǎn)單的方法，就是在升壓變壓器的后面串接一個(gè)線(xiàn)性穩(wěn)壓器；我們將升壓轉(zhuǎn)換器的輸入端直接連到電池，然后再把輸出端（也就是系統(tǒng)電源的輸出端）串接到另一個(gè)線(xiàn)性穩(wěn)壓器，由它來(lái)產(chǎn)生較低的核心電壓。

圖2. 升壓轉(zhuǎn)換器與串接在后的線(xiàn)性穩(wěn)壓器

圖2所示，標(biāo)準(zhǔn)的升壓轉(zhuǎn)換器會(huì)包含一個(gè)主動(dòng)開(kāi)關(guān)，它的動(dòng)作是由一個(gè)“脈寬調(diào)制”（PWM）的機(jī)制來(lái)控制。當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電池會(huì)對(duì)電感器充電，若這個(gè)主動(dòng)開(kāi)關(guān)被切斷，那么電流就會(huì)通過(guò)整流器，然后進(jìn)入輸出電容，于是這個(gè)電容就被充電。

受到了升壓轉(zhuǎn)換器特性的影響，它的輸入電流會(huì)連續(xù)，但輸出電流卻不會(huì)，因此當(dāng)您在選擇轉(zhuǎn)換器的輸入電容與輸出電容時(shí)，這個(gè)特性是一項(xiàng)重要的考慮因素，后面將詳細(xì)討論這一點(diǎn)。為了提高轉(zhuǎn)換效率，建議您使用一個(gè)同步整流器來(lái)搭配這個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器；這種整流器為了降低導(dǎo)通時(shí)的功率損失，會(huì)使用一個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)晶體管來(lái)取代常見(jiàn)的二極管。另一方面，為了要產(chǎn)生核心電壓，我們還會(huì)使用另外一個(gè)線(xiàn)性穩(wěn)壓器。在這里的設(shè)計(jì)中，額定的電壓降為0.8 V（從3.3 V降為2.5 V），因此我們必須選擇一個(gè)低壓降的LDO線(xiàn)性穩(wěn)壓器。

2. 雙輸出電壓的馳反式轉(zhuǎn)換器
圖3是一個(gè)提供了兩組輸出電壓的馳反式轉(zhuǎn)換器，這個(gè)馳反式轉(zhuǎn)換器的輸入端會(huì)直接連到電池。

圖3. 提供兩組電壓輸出的馳反式轉(zhuǎn)換器

若從電池的角度來(lái)看，它的輸入端與升壓轉(zhuǎn)換器的輸入端非常類(lèi)似，只有整流階段有些不同；此時(shí)，電感器會(huì)被分成三個(gè)線(xiàn)圈，由初級(jí)線(xiàn)圈負(fù)責(zé)充電（與升壓轉(zhuǎn)換器相同），然后再透過(guò)兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈來(lái)放電。另一方面，它也是透過(guò)脈寬調(diào)制的方式來(lái)提供穩(wěn)壓功能，但只有一個(gè)輸出端可被直接穩(wěn)壓，第二個(gè)輸出端則是透過(guò)兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈的繞線(xiàn)比來(lái)間接達(dá)到穩(wěn)壓效果。當(dāng)電感器放電時(shí)，電流總是會(huì)流入電壓最低的輸出端。
必須注意的是，在某些極端的工作條件下，未穩(wěn)壓輸出端可能發(fā)問(wèn)題，例如未穩(wěn)壓輸出端承受了最大的負(fù)載，而穩(wěn)壓輸出端卻只有很小的負(fù)載、甚至完全沒(méi)有負(fù)載。為了避免這個(gè)問(wèn)題，若您決定使用脈寬調(diào)制的方式來(lái)控制穩(wěn)壓輸出，而這個(gè)控制器又負(fù)責(zé)控制馳反電路的開(kāi)關(guān)晶體管，那么這點(diǎn)也必須列入考慮。此外，在選擇電容時(shí)，也須了解在這樣的電路中，輸入電流與輸出電流都是不連續(xù)的。
針對(duì)多組輸出電壓的馳反式電源供給，目前并沒(méi)有轉(zhuǎn)換器可支持這類(lèi)電路的同步整流功能，因此不可能設(shè)計(jì)一個(gè)體積很小的高效率電源供給器。在測(cè)試電路中，系統(tǒng)與核心的電源電壓只相差0.8 V，相較于“同步升壓器+LDO穩(wěn)壓器”的方案，使用異步的馳反式方案并不能為我們帶來(lái)更高的轉(zhuǎn)換效率。此外，馳反式方案的設(shè)計(jì)不但需要更高的成本，而且還會(huì)占用更多的電路板面積，這是因?yàn)樗仨毷褂锰厥獾碾姼衅鳎@類(lèi)電感器的體積與價(jià)格都遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的升壓電感器，因此在本文中，我們并未考慮這種方案。

3. 升壓轉(zhuǎn)換器后面串接一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器
第三個(gè)方案是在升壓轉(zhuǎn)換器的后面串接一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，它的成本最昂貴，但是轉(zhuǎn)換效率也最高。在前一個(gè)方案中，我們是把一個(gè)LDO穩(wěn)壓器串接在升壓轉(zhuǎn)換器的后面；此處，我們?nèi)匀皇褂昧艘粋€(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，但它后面串接的并不是LDO穩(wěn)壓器，而是一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器。圖4使用了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的降壓轉(zhuǎn)換器，這個(gè)轉(zhuǎn)換器有一個(gè)主動(dòng)脈寬調(diào)制的開(kāi)關(guān)晶體管，當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電感器會(huì)被充電，當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管被切斷之后，電路就進(jìn)入放電階段，電感器的電流也會(huì)流過(guò)降壓轉(zhuǎn)換器的整流二極管。在這個(gè)方案中，輸入電壓與輸出電壓的比例也是由開(kāi)關(guān)晶體管的負(fù)載周期決定。

圖4. 升壓轉(zhuǎn)換器與串接在后的降壓轉(zhuǎn)換器

要定義輸入與輸出電容，必須了解在一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器當(dāng)中，輸入電流是不連續(xù)的，而輸出電流則是連續(xù)的，這可協(xié)助我們將電路設(shè)計(jì)最佳化。如果我們能設(shè)計(jì)降壓轉(zhuǎn)換器的控制方式，讓它需要輸入電流的時(shí)候，正好就是升壓轉(zhuǎn)換器提供輸出電流的同時(shí)，那么只要透過(guò)“上升邊緣／下降邊緣”（trailing edge/leading edge）的同步控制，就可降低它對(duì)于系統(tǒng)電壓儲(chǔ)存電容的要求。換句話(huà)說(shuō)，當(dāng)升壓轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)晶體管被切斷后，降壓轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)晶體管才會(huì)導(dǎo)通。除了這種控制方式之外，只要使用同步整流的方式，并且用一個(gè)MOSFET晶體管來(lái)取代二極管，那么降壓器的轉(zhuǎn)換效率還能進(jìn)一步增加。

電容器
升壓轉(zhuǎn)換器的輸入端有一個(gè)輸入電容，它主要是在升壓器的輸入端以及電池和電池的相關(guān)電路（電池的電極、電線(xiàn)與印制電路板上的導(dǎo)線(xiàn)）之間提供解耦合功能。一般而言，只要使用越大的電容，對(duì)電池就越有幫助。但是，要讓這顆電容發(fā)揮功效，它的等效串聯(lián)阻抗（ESR）必須小于電池與導(dǎo)線(xiàn)的總電阻值，若事先知道這些設(shè)計(jì)參數(shù)，就可將它們做最佳化處理。由于升壓轉(zhuǎn)換器的輸入端電流為連續(xù)，因此只須用輸入電容來(lái)提供解耦合功能，并且減少輸入電流中的紋波成份即可；只要達(dá)成這些目標(biāo)，就算我們對(duì)這個(gè)電容采用非常低成本的設(shè)計(jì)，也不會(huì)影響到電源轉(zhuǎn)換效率。

在升壓／馳反式的設(shè)計(jì)中，我們必須使用一個(gè)輸出電容，這樣當(dāng)電感在進(jìn)行充電時(shí)，才能提供負(fù)載所須的電流；因此，這個(gè)電容值與它的等效串聯(lián)阻抗值就成為輸出電流漣波的決定性因素。為了計(jì)算所允許的最小電容值，必須將一些參數(shù)列入考慮，包括最大輸出電流、輸出電壓紋波成份以及負(fù)載周期與切換頻率。此外，還可利用這個(gè)輸出電容來(lái)應(yīng)付輸出電流的瞬時(shí)脈沖，只要這個(gè)脈沖的“轉(zhuǎn)角頻率”（corner frequency）高于升壓轉(zhuǎn)換器的“交越頻率”（crossover frequency）；為了達(dá)成這個(gè)目標(biāo)，必須選擇一個(gè)高效能的電容，例如陶瓷電容或是“等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感”（ESR/ESL）都很小的鉭質(zhì)電容。

LDO穩(wěn)壓器也使用輸出電容，但主要是用來(lái)穩(wěn)定它的控制回路。由于LDO穩(wěn)壓器的回路增益很高，因此通常不必為了滿(mǎn)足瞬時(shí)電流脈沖的需求，去增加額外的輸出電容。在這種情形下，若將電能儲(chǔ)存在LDO穩(wěn)壓器的輸入端，就可得到更好的效果。此外，由于降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電流也不連續(xù)，因此它的輸入電容也具有儲(chǔ)存電力的效果，這會(huì)對(duì)輸入電流脈沖產(chǎn)生阻尼的作用，進(jìn)而減少電流脈沖對(duì)于電路零件的沖擊。

由于降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電流是連續(xù)的，因此在最理想的情形下，不必接上額外的電容；但在實(shí)際的應(yīng)用中，為了穩(wěn)定控制回路，并且應(yīng)付轉(zhuǎn)角頻率高于降壓轉(zhuǎn)換器交越頻率的高速瞬時(shí)電流脈沖 (為了達(dá)成這樣的要求，我們建議使用一個(gè)高效能的輸出電容)。另一方面，要應(yīng)付轉(zhuǎn)角頻率低于交越頻率的電流脈沖，最好是把電能儲(chǔ)存在降壓轉(zhuǎn)換器的輸入端，這是因?yàn)檩斎攵说墓ぷ麟妷狠^高，因此就算我們使用同樣大小的電容，而且這些電容的額定電壓值也相同，它還是可以?xún)?chǔ)存更多的電能。

最終的設(shè)計(jì)與測(cè)量結(jié)果

1. 電源供給器的要求
本文使用了一套網(wǎng)絡(luò)音頻評(píng)估模塊來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，它需要2.5 V的核心電壓與120 mA的最大電流；另一方面，系統(tǒng)的電源供給則為3.3 V，所需最大電流為90 mA，平均電流值則為70 mA。

2. 找出核心與系統(tǒng)電流的轉(zhuǎn)角頻率
圖5是一組示波器圖形，針對(duì)核心（a）與系統(tǒng)（b）的供應(yīng)電流，分別顯示面對(duì)最高速電流脈沖時(shí)的上升邊緣。

圖5. 核心與系統(tǒng)電源最快速的負(fù)載瞬時(shí)變動(dòng)

利用上升邊緣的上升時(shí)間，可計(jì)算出電路的轉(zhuǎn)角頻率（fc = 0.35/tr），而核心電流的計(jì)算結(jié)果則是在230 KHz的范圍內(nèi)。由于直流電壓轉(zhuǎn)換器的跨越頻率通常是在10 KHz左右，因此為了降低這個(gè)轉(zhuǎn)角頻率，必須使用額外的儲(chǔ)存與阻隔電容。例如可使用一個(gè)等效串聯(lián)阻抗小于3Ω的10 (F鉭質(zhì)電容，它可將轉(zhuǎn)角頻率降低至1 KHz以下，并進(jìn)入我們所能接受的范圍。對(duì)系統(tǒng)電源也采取同樣的作法，利用給定的脈沖數(shù)據(jù)，計(jì)算出轉(zhuǎn)角頻率為20 KHz，因此為了確保電路動(dòng)作正常，須加入一個(gè)10 (F左右的電容，讓這個(gè)頻率降低至1 KHz以下。

3. 找出系統(tǒng)電源供給的最大電流脈沖
在圖6的示波器圖形中，顯示了最壞情形下的總系統(tǒng)電流，由于這個(gè)電流脈沖峰值已經(jīng)超過(guò)了系統(tǒng)最大工作電流，因此必須加大系統(tǒng)電源供給器（升壓轉(zhuǎn)換器的輸出）的儲(chǔ)存電容，才能滿(mǎn)足這個(gè)電流脈沖的要求。利用這個(gè)脈沖的參數(shù)資料，可計(jì)算出所需的電容值，讓這個(gè)脈沖電流最多只會(huì)造成0.1 V的電壓降。
根據(jù)計(jì)算的結(jié)果可知，最少需要225 (F的儲(chǔ)能電容，而且它們的等效串聯(lián)阻抗必須小于0.1Ω。為滿(mǎn)足這項(xiàng)要求，我們選擇了兩顆120 (F的的鉭質(zhì)電容，它們的等效串聯(lián)阻抗只有0.85Ω，然后在前面所介紹的兩種電路架構(gòu)中，將這兩顆電容并聯(lián)至升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端。除了加大電容值之外，還有一種方法也可以應(yīng)付這種電流脈沖，就是使用輸出電流能力更強(qiáng)的直流電壓轉(zhuǎn)換器，但通常這種方式的成本較高，也需要更多的電路板面積。

圖6. 最壞情形下的總系統(tǒng)電流

升壓轉(zhuǎn)換器 + LDO 穩(wěn)壓器的電路說(shuō)明
圖7是一個(gè)測(cè)試電路，它使用一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)串接在后的LDO穩(wěn)壓器，其中升壓轉(zhuǎn)換器采用了TI TPS61016組件，它是一個(gè)內(nèi)建開(kāi)關(guān)晶體管的同步升壓轉(zhuǎn)換器，可以提供3.3 V的固定輸出電壓；此外，這顆轉(zhuǎn)換器還能支持0.9 ～3.0 V的完整輸入電壓范圍。如同圖中所示，這顆組件只須少數(shù)幾個(gè)外接零件就可順利工作，它必須搭配輸入電容以及輸出電容，這些電容值可按前面的方法來(lái)計(jì)算。至于LDO穩(wěn)壓器則是使用了另一個(gè)TPS76925組件，為了保持電路的穩(wěn)定動(dòng)作，還必須在輸出端加上一個(gè)小的鉭質(zhì)電容。

圖7. “升壓轉(zhuǎn)換器 + LDO穩(wěn)壓器”方案的完整線(xiàn)路圖

圖8則是“升壓轉(zhuǎn)換器+ LDO穩(wěn)壓器”方案在1.2 V輸入電壓（單顆NiXX電池）下正常工作時(shí)，核心電壓與系統(tǒng)電壓的紋波成份。

圖8. “升壓轉(zhuǎn)換器 + LDO穩(wěn)壓器”方案工作時(shí)，系統(tǒng)與核心電壓上的紋波

圖8可看出，紋波的幅度比原設(shè)計(jì)值還小。此外，根據(jù)圖9的上面一條波形（100 mV的紋波），可找出正常工作情形下（播放音樂(lè)），網(wǎng)絡(luò)音頻評(píng)估模塊的功率損耗與輸入電壓之間的關(guān)系；例如電壓降低時(shí)，電流就會(huì)增加，而造成升壓轉(zhuǎn)換器輸入電路的功率損耗上升。

圖9. “升壓轉(zhuǎn)換器 + LDO穩(wěn)壓器”與“升壓轉(zhuǎn)換器 + 降壓轉(zhuǎn)換器”解決方案的功率消耗

4. 升壓轉(zhuǎn)換器 + 降壓轉(zhuǎn)換器的電路說(shuō)明
圖10也是一組測(cè)試電路，它使用一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器和串接在后的降壓轉(zhuǎn)換器，這組升壓電路與“升壓轉(zhuǎn)換器 + LDO 穩(wěn)壓器”解決方案中的電路完全相同，降壓轉(zhuǎn)換器則使用了TPS62006組件，這是一個(gè)內(nèi)建開(kāi)關(guān)晶體的同步降壓轉(zhuǎn)換器，可提供2.5 V的固定輸出電壓，也是最容易與升壓轉(zhuǎn)換器同步的組件。

圖10. “升壓轉(zhuǎn)換器 + 降壓轉(zhuǎn)換器”解決方案的完整線(xiàn)路圖

圖11（電壓波形圖）以及圖9（功率消耗，位置較低的波形）則是我們所量測(cè)的結(jié)果。

圖11. “升壓轉(zhuǎn)換器 + 降壓轉(zhuǎn)換器”解決方案工作時(shí)，系統(tǒng)與核心電壓上的漣波

結(jié)論
比較測(cè)量所得的電力損耗值，很清楚發(fā)現(xiàn)“升壓轉(zhuǎn)換器 + 降壓轉(zhuǎn)換器”方案最有效率；例如在只用一個(gè)電池的情形下，“升壓轉(zhuǎn)換器 + LDO穩(wěn)壓器”方案可提供4.2小時(shí)的工作時(shí)間，而“升壓轉(zhuǎn)換器 + 降壓轉(zhuǎn)換器”方案卻能供應(yīng)5小時(shí)的電力，這比前者多出了20%的電池使用時(shí)間。但“升壓轉(zhuǎn)換器 + 降壓轉(zhuǎn)換器”方案也有缺點(diǎn)，成本比前者高出33%，并且必須使用更多的電路板面積。毫無(wú)疑問(wèn)的，“升壓轉(zhuǎn)換器 + LDO穩(wěn)壓器”電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單多了，只須執(zhí)行較少的計(jì)算，就可選擇正確的零件，也不必實(shí)作任何的同步功能。
就DSP的未來(lái)發(fā)展而言，核心與I/O（系統(tǒng)）的電壓差距正在增加，于是這兩種方案的功率損耗差距也會(huì)隨之增加，這會(huì)讓馳反式解決方案更有吸引力。