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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)核電壓（VDDINT）。通過內(nèi)部寄存器可以軟件控制內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)核電壓。改變反饋電阻值可以在1.2 V~1.0 V的范圍內(nèi)調節(jié)內(nèi)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(nèi)核電壓 （VOUT1） = 1.2 V

　　DSP內(nèi)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。

　　圖4. 通過MOSFET調節(jié)下面的反饋電阻器

　　一種較簡單的方法可生成用于DVS的兩個不同的電壓，其使用控制電壓VC通過另外的電阻將電流注入到反饋網(wǎng)絡中。調節(jié)控制電壓的占空比可以改變其平均DC電平。因此使用一個控制電壓和電阻可以調節(jié)輸出電壓。下面的公式用于計算電阻R2、R3的值以及控制電壓幅度電平VC_LOW 和 VC_HIGH.

　　（1）

　　（2）

　　對于VOUT1 = 1.2 V， VOUT2 = 1.0 V， VFB = 0.8 V， VC_LOW = 3.3 V， VC_HIGH = 0 V， 和 R1= 49.9 kohm， R2 and R3可以如下計算

　　（3）

　　（4）

　　該方法產(chǎn)生了更加平滑的變換。不同于MOSFET開關方法，能夠驅動電阻負載的任何控制電壓均可用于該方案，而MOSFET開關方法僅能夠用于驅動電容負載的控制信號源。該方法可以適用于任何輸出電壓組合和輸出負載電流。因此，根據(jù)需要調整內(nèi)核電壓，便可以降低DSP的功耗。圖5示出了使用該電流注入方法的兩個輸出電壓之間的變換。

　　圖5. 使用控制電壓 VC進行ADP2102的動態(tài)電壓調整

　　圖6. 通過控制電壓調節(jié)下面的反饋電阻器