動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié),提高系統(tǒng)效率和熱性能

處理器中功耗的表達(dá)式為P f*V 2。隨著系統(tǒng)時(shí)鐘頻率越來(lái)越高，接近被稱為超頻的狀態(tài)，效率受到影響，熱量成為設(shè)計(jì)人員的主要關(guān)注點(diǎn)。處理器產(chǎn)生的過(guò)多熱量會(huì)導(dǎo)致熱關(guān)機(jī)、系統(tǒng)電源循環(huán)和/或永久性損壞，最終會(huì)縮短處理器的使用壽命。

微處理器、微控制器、DSP、ASIC、FPGA 和任何其他數(shù)字負(fù)載變體在 100% 的時(shí)間都不需要最大功率。在大多數(shù)應(yīng)用中，這些數(shù)字負(fù)載或“處理器”大部分時(shí)間都處于空閑狀態(tài)。即使在空閑時(shí)，處理器仍可能在最大電壓下運(yùn)行并且不必要地產(chǎn)生過(guò)多的熱量。對(duì)抗空閑時(shí)間的負(fù)面影響的一種方法是一種通常稱為動(dòng)態(tài)電壓縮放 (DVS) 的技術(shù)。

當(dāng)處于空閑狀態(tài)時(shí)，可以縮減處理器的頻率以節(jié)省能源。核心電壓和頻率直接相關(guān)。在空閑狀態(tài)期間也可以降低核心電壓。這需要能夠?qū)崟r(shí)改變處理器內(nèi)核電壓。DVS 需要在處理器和設(shè)置內(nèi)核電壓的穩(wěn)壓器之間建立一個(gè)反饋回路。在空閑狀態(tài)期間，處理器將向調(diào)節(jié)器發(fā)送一個(gè)信號(hào)，告訴它降低其輸出電壓，因?yàn)樘幚砥鲀?nèi)的低頻操作就足夠了。穩(wěn)壓器輸出相應(yīng)調(diào)整，降低處理器內(nèi)核電壓并降低其功耗。

那么處理器如何與穩(wěn)壓器連接以在空閑和超頻狀態(tài)下調(diào)整輸出電壓呢?有多種實(shí)現(xiàn)方法，但其中一種接口協(xié)議是 VID，或電壓識(shí)別數(shù)字。VID 編程器幾乎可以與任何負(fù)載點(diǎn)降壓穩(wěn)壓器或控制器一起使用，以改變提供給支持 VID 的處理器的內(nèi)核電壓，例如德州儀器 (TI) 的LM10010和LM10011。

其工作原理如下：LM10010通過(guò) 4 針 VID 接口從支持 VID 的處理器接收 6 位代碼(參見(jiàn)圖 1)。此代碼具有包括處理器當(dāng)前狀態(tài)所需的核心電壓值的信息。然后， LM10010通過(guò)其集成的 DAC 將該代碼轉(zhuǎn)換為 μA 量級(jí)的輸出電流。該輸出電流隨后被饋入穩(wěn)壓器的反饋節(jié)點(diǎn)，其輸出是處理器的核心電壓?，F(xiàn)在流入反饋節(jié)點(diǎn)的額外正電流(在圖 1 中以紅色突出顯示)導(dǎo)致流過(guò) R FB1的電流量減少。通過(guò) R FB1的電流的這種修改調(diào)整穩(wěn)壓器的輸出電壓以匹配處理器提供的 6 位代碼中的值。

LM10010的6 位允許它將穩(wěn)壓器輸出電壓編程為 64 種不同電壓中的任何一種，該電壓范圍由穩(wěn)壓器外部使用的反饋電阻器設(shè)置。LM10011增加了實(shí)現(xiàn) 4 位或 6 位分辨率的靈活性，與 LM10010 相比，兩者都具有更嚴(yán)格的輸出電流精度(1.25 % 對(duì) 3%)。LM10011在引腳和封裝上與LM10010兼容。

圖 1：采用 LM10010、LM21215A-1 和 TI C6000 DSP 等處理器的 VID 解決方案

LM10010-11 的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其具有成本效益的方法，因?yàn)樗梢耘c設(shè)計(jì)人員自行選擇的低成本控制器或穩(wěn)壓器一起使用。如果這立即讓您想到您最喜歡的穩(wěn)壓器或控制器，那是另一個(gè)很大的好處 - 它可以與您已經(jīng)熟悉的穩(wěn)壓器一起使用，假設(shè)穩(wěn)壓器具有外部劃分的反饋節(jié)點(diǎn)(大多數(shù)都這樣做)。能夠?qū)?LM10010-11 與幾乎任何穩(wěn)壓器一起使用的靈活性允許您實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓縮放，同時(shí)還可以優(yōu)化成本和/或性能。

德州儀器 (Texas Instruments) 的帶有 SmartReflex? 接口的TMS3206000? DSP 是支持 VID 的處理器系列的一個(gè)示例，可以使用它來(lái)實(shí)施 LM10010-11 VID 解決方案。然而，一個(gè)具有 LM10010-11 的 VID 解決方案可以與任何具有 4 條 GPIO 備用線路的處理器一起設(shè)計(jì)。將 LM10010-11 與幾乎任何調(diào)節(jié)器或處理器一起使用的選項(xiàng)提供了 VID 領(lǐng)域以前未知的靈活性維度?？蛻艨梢员Ａ羝洮F(xiàn)有設(shè)計(jì)并添加 LM10010-11 以立即簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓縮放并獲得與該技術(shù)相關(guān)的效率優(yōu)勢(shì)。