- 處理器電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)
- 浪涌電流設(shè)計(jì)
- 上電排序設(shè)計(jì)
- 電源穩(wěn)壓精度
因此，當(dāng)為德州儀器(TI)的DaVinci數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)進(jìn)行POL電源解決方案設(shè)計(jì)時(shí)，充分了解基本電源技術(shù)可以幫助克服許多設(shè)計(jì)困難。本文以一個(gè)基于TI電源管理產(chǎn)品的電源管理參考設(shè)計(jì)為例，討論一系列適用于DaVinci處理器的電源去耦、浪涌電流、穩(wěn)壓精度和排序技術(shù)。
大型旁路去耦電容
處理器所使用的全部電流除了由電源本身提供以外，處理器旁路和一些電源的大型電容也是重要來(lái)源。當(dāng)處理器的任務(wù)級(jí)別(levelofactivity)急劇變化而出現(xiàn)陡峭的負(fù)載瞬態(tài)時(shí)，首先由一些本地旁路電容提供瞬時(shí)電流，這種電容通常為小型陶瓷電容，可快速響應(yīng)對(duì)負(fù)載變化。
隨著處理速度的增加，對(duì)于更多能量存儲(chǔ)旁路電容的需求變得更為重要。另一個(gè)能量來(lái)源是電源的大電容。為避免出現(xiàn)穩(wěn)定性問(wèn)題，一定要確保電源的穩(wěn)定性，且可利用增加的旁路電容正確地啟動(dòng)。因此，必須保證對(duì)電源反饋回路進(jìn)行補(bǔ)償以適應(yīng)額外的旁路電容。電源評(píng)估板(EVM)在試驗(yàn)臺(tái)上可能非常有效，但在負(fù)載附近增加了許多旁路電容的情況下，其性能可能會(huì)發(fā)生變化。
作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，可以通過(guò)在盡可能靠近處理器電源引腳的地方放置多個(gè)0603或0402電容(60用于內(nèi)核電壓，而30則用于DM6?43的I/O電壓)，將DaVinci電源電壓的系統(tǒng)噪聲進(jìn)行完全去耦。更小型的0402電容是更好的選擇，因?yàn)槠浼纳姼休^小。較小的電容值(如560pF)應(yīng)該最接近電源引腳，其距離僅為1.25cm。其次最接近電源引腳的是中型旁路電容(如220nF)。TI建議每個(gè)電源至少要使用8個(gè)小型電容和8個(gè)中型電容，并且應(yīng)緊挨著B(niǎo)GA過(guò)孔安裝(占用內(nèi)部BGA空間，或者至少應(yīng)在外部角落處)。在更遠(yuǎn)一點(diǎn)的地方，可以安裝一些較大的大型電容，但也應(yīng)該盡可能地靠近處理器[1]。
浪涌電流
具有大旁路電容的電源存在啟動(dòng)問(wèn)題，因?yàn)殡娫纯赡軣o(wú)法對(duì)旁路電容充電，而這正是啟動(dòng)期間滿足處理器要求所需要的。因此，在啟動(dòng)期間，過(guò)電流可能會(huì)引起電源的關(guān)斷，或者電壓可能會(huì)暫時(shí)下降(變?yōu)榉菃握{(diào)狀態(tài))。一個(gè)很好的設(shè)計(jì)實(shí)踐是確保電壓在啟動(dòng)期間不下降、過(guò)沖或承受長(zhǎng)時(shí)間處于高壓狀態(tài)。為減少浪涌電流，可通過(guò)增加內(nèi)核電壓電源的啟動(dòng)時(shí)間，來(lái)允許旁路電容緩慢地充電。許多DC/DC調(diào)節(jié)器都具有獨(dú)特的可調(diào)軟啟動(dòng)引腳，以延長(zhǎng)電壓斜坡時(shí)間。如果調(diào)節(jié)器不具有這種軟啟動(dòng)引腳，那么可利用一個(gè)外部MOSFET以及一種RC充電方案，從外部對(duì)其進(jìn)行實(shí)施。
本文推薦使用一種帶有電流限制功能的DC/DC調(diào)節(jié)器，來(lái)幫助維持單調(diào)的電壓斜坡。采用軟啟動(dòng)方案有助于滿足DaVinci處理器的排序要求。
上電排序
越來(lái)越多的處理器廠商提供推薦的內(nèi)核及I/O上電排序的時(shí)序準(zhǔn)則。一旦獲知時(shí)序要求，POL電源設(shè)計(jì)人員便可選擇一種適當(dāng)?shù)募夹g(shù)。對(duì)雙路電源上電和斷電的方法有很多種，其中順序排序和同時(shí)排序是最為常用。
當(dāng)在內(nèi)核和I/O上電之間要求一個(gè)較短的毫秒級(jí)時(shí)間間隔時(shí)，可以采用任何順序?qū)嵤╉樞蚺判颉?shí)施順序排序的一種方法是只需將一個(gè)穩(wěn)壓器的PWERGOOD引腳連接至另一個(gè)穩(wěn)壓器的ENABLE引腳。當(dāng)內(nèi)核和I/O電壓差在上電和斷電期間需要被最小化時(shí)，就需要使用同時(shí)排序。為實(shí)施同時(shí)排序，內(nèi)核和I/O電壓應(yīng)彼此緊密地跟蹤，直到達(dá)到較低的理想電壓電平。此外，較低的內(nèi)核電壓達(dá)到了其設(shè)定值要求，而較高的I/O電壓將可以繼續(xù)上升至其設(shè)定值[2]。
在自升壓模式中，DaVinci處理器要求對(duì)CVDD和CVDDDSP內(nèi)核電源進(jìn)行同時(shí)排序。在主機(jī)升壓模式中，CVDD必須斜坡上升，并在CVDDSP開(kāi)始斜坡上升以前達(dá)到其設(shè)置值(1.2V)。作為一個(gè)最大值，CVDDDSP電源必須在關(guān)閉(開(kāi)啟)“始終開(kāi)啟”和DSP域之間的短路開(kāi)關(guān)以前上電?？梢砸匀魏雾樞騿?dòng)I/O電源(DVDD18、DVDDR2和DVDD33)，但必須在CVDD電源100ms的同時(shí)達(dá)到設(shè)定值[3]。
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穩(wěn)壓精度
影響電源系統(tǒng)的電壓容差有幾個(gè)因素，其中電壓基準(zhǔn)精度是最重要的一個(gè)因素，可在電源管理器件的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中找到其規(guī)范。新型穩(wěn)壓器要求達(dá)到±1%的精度或更高的溫度基準(zhǔn)精度。一些成本較低的穩(wěn)壓器可能要求±2%或±3%的基準(zhǔn)電壓精度。請(qǐng)?jiān)诋a(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中查看穩(wěn)壓器廠商的相關(guān)規(guī)范，以確保穩(wěn)壓精度可以滿足處理器的要求。另一個(gè)影響穩(wěn)壓精度的因素是穩(wěn)壓器外部反饋電阻的容差。
在要求精確容差值的情況下，推薦使用±1%的容差電阻。另外，在將這種電阻用于編程輸出電壓時(shí)，將會(huì)帶來(lái)額外±0.5%的容差，具體的計(jì)算公式為：輸出電壓精度=2*(1-VREF/VOUT)*TOLRES
第三個(gè)影響因素是輸出紋波電壓。一個(gè)優(yōu)良的設(shè)計(jì)實(shí)踐是針對(duì)低于1%輸出電壓的峰峰輸出電壓進(jìn)行設(shè)計(jì)，它可使電源系統(tǒng)的電壓容差增加±0.5%。假設(shè)基準(zhǔn)精度為±2%，那么這三個(gè)影響因素加在一起將使電源系統(tǒng)精度為±3%。
DaVinciCVDD電源要求一個(gè)可帶來(lái)±4.2%精度、50mV容差的1.2V典型內(nèi)核電源。3.3VDVDD電源具±4.5%精度、150mV的容差，而1.8VDVDD電源則具有±5%精度、90mV的容差。使穩(wěn)壓器靠近負(fù)載以減少路徑損耗非常重要。需要注意的是，如果電源具有3%的容差，且處理器內(nèi)核電壓要求4.2%容差，則必須對(duì)去耦網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便實(shí)現(xiàn)1.2V電壓軌[4]的1.2%精度或14mV容差。
歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，內(nèi)核電壓隨著處理技術(shù)的發(fā)展而不斷降低。對(duì)內(nèi)核電壓稍作改變，便可提供更高的性能，或節(jié)省更多電量。選擇一個(gè)具有可編程輸出電壓和±3%以內(nèi)輸出電壓容差的穩(wěn)壓器是一種較好的設(shè)計(jì)方法。相比從零開(kāi)始重新設(shè)計(jì)一種全新的電源，簡(jiǎn)單的電阻器變化或引腳重新配置要容易得多。因此，最好選擇一款可以支持低至0.9V或更低輸出電壓的穩(wěn)壓器，以便最大化地重用，并幫助簡(jiǎn)化TI片上系統(tǒng)(SoC)器件未來(lái)版本的使用。
參考設(shè)計(jì)
我們構(gòu)建了若干個(gè)電源管理參考設(shè)計(jì)，并進(jìn)行數(shù)字音頻/視頻應(yīng)用的測(cè)試。這些設(shè)計(jì)均采用TI的TMS320DM6?43和TMS320DM6?46處理器，這些處理器能滿足排序、電壓精度和啟動(dòng)要求。圖1是12V電源的參考設(shè)計(jì)電路圖。該設(shè)計(jì)采用TPS62111同步降壓轉(zhuǎn)換器、TPS62040同步降壓轉(zhuǎn)換器以及TPS73618低壓降調(diào)節(jié)器，它們分別提供3.3V、1.2V和1.8V電壓軌。這種參考設(shè)計(jì)包含一個(gè)簡(jiǎn)單的外部MOSFET、電阻和電容延遲電路，以使3.3V電壓軌能滿足自升壓模式排序方案要求。TPS62040不但提供1.2V的內(nèi)核電壓，而且還可滿足引腳5軟啟動(dòng)電容的排序要求。這種解決方案的容差為±3%，效率在90%以上。為滿足主機(jī)升壓模式排序方案要求，可以將一個(gè)類似的MOSFET、電阻以及電容電路增加到1.2V電壓軌。
圖1：12V電源的參考設(shè)計(jì)電路圖。
圖2是復(fù)位電路。該電路采用TPS3808和TPS3803電源電壓監(jiān)控器來(lái)監(jiān)控電壓軌的變化情況。請(qǐng)采用最小值的TPS3808G01(U5)來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)位電路電源。如果需要大于3.3V電壓軌/1.5A電流和1.2V電壓軌/1.2A電流，那么TPS54350和TPS54110SWIFTDC/DC轉(zhuǎn)換器可能會(huì)被分別用于實(shí)現(xiàn)3A和1.5A電流。SWIFT穩(wěn)壓器具有基于DaVinci技術(shù)的數(shù)字視頻EVM的特點(diǎn)。如欲了解更多采用了線性調(diào)節(jié)器、TPS40KDC/DC轉(zhuǎn)換器、TPS62xxxDC/DC轉(zhuǎn)換器或多輸出電源管理單元(PMU)的5V和12V輸入電源
圖2：軌電壓復(fù)位和電壓監(jiān)控電路。
一旦充分了解去耦、排序和容差要求，為DaVinci處理器設(shè)計(jì)一款電源解決方案就變得非常簡(jiǎn)單明了。在為所有高性能處理器設(shè)計(jì)電源時(shí)，堅(jiān)持使用上述技術(shù)是相當(dāng)不錯(cuò)的設(shè)計(jì)實(shí)踐。如果還需要其他支持，可從TI獲取一些參考設(shè)計(jì)以加速產(chǎn)品上市進(jìn)程。
