由于更高的集成度、更快的處理器運行速度以及更小的特征尺寸，內核及I/O電壓的負載點(POL)處理器電源設計變得越來越具挑戰(zhàn)性。處理器技術的發(fā)展必須要和POL電源設計技術相匹配。對當今的高性能處理器而言,5年或10年以前使用的電源管理解決方案可能已不再行之有效。因此，當為德州儀器(TI)的DaVinci數字信號處理器(DSP)進行POL電源解決方案設計時，充分了解基本電源技術可以幫助克服許多設計困難。本文以一個基于TI電源管理產品的電源管理參考設計為例，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。
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源。當處理器的任務級別(level of activity)急劇變化而出現(xiàn)陡峭的負載瞬態(tài)時，首先由一些本地旁路電容提供瞬時電流，這種電容通常為小型陶瓷電容，可快速響應對負載變化。隨著處理速度的增加，對于更多能量存儲旁路電容的需求變得更為重要。另一個能量來源是電源的大電容。為避免出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，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。因此，必須保證對電源反饋回路進行補償以適應額外的旁路電容。電源評估板(EVM)在試驗臺上可能非常有效，但在負載附近增加了許多旁路電容的情況下，其性能可能會發(fā)生變化。
作為一個經驗法則，可以通過在盡可能靠近處理器電源引腳的地方放置多個0603或0402電容(60用于內核電壓，而30則用于DM6?43的I/O電壓)，將DaVinci電源電壓的系統(tǒng)噪聲進行完全去耦。更小型的0402電容是更好的選擇，因為其寄生電感較小。較小的電容值(如560pF)應該最接近電源引腳，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建議每個電源至少要使用8個小型電容和8個中型電容，并且應緊挨著BGA過孔安裝(占用內部BGA空間，或者至少應在外部角落處)。在更遠一點的地方，可以安裝一些較大的大型電容，但也應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問題，因為電源可能無法對旁路電容充電，而這正是啟動期間滿足處理器要求所需要的。因此，在啟動期間，過電流可能會引起電源的關斷，或者電壓可能會暫時下降(變?yōu)榉菃握{狀態(tài))。一個很好的設計實踐是確保電壓在啟動期間不下降、過沖或承受長時間處于高壓狀態(tài)。為減少浪涌電流，可通過增加內核電壓電源的啟動時間，來允許旁路電容緩慢地充電。許多DC/DC調節(jié)器都具有獨特的可調軟啟動引腳，以延長電壓斜坡時間。如果調節(jié)器不具有這種軟啟動引腳，那么可利用一個外部MOSFET以及一種RC充電方案，從外部對其進行實施。
本文推薦使用一種帶有電流限制功能的DC/DC調節(jié)器，來幫助維持單調的電壓斜坡。采用軟啟動方案有助于滿足DaVinci處理器的排序要求。
上電排序
越來越多的處理器廠商提供推薦的內核及I/O上電排序的時序準則。一旦獲知時序要求，POL電源設計人員便可選擇一種適當的技術。對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排序是最為常用。
當在內核和I/O上電之間要求一個較短的毫秒級時間間隔時，可以采用任何順序實施順序排序。實施順序排序的一種方法是只需將一個穩(wěn)壓器的PWERGOOD引腳連接至另一個穩(wěn)壓器的ENABLE引腳。當內核和I/O電壓差在上電和斷電期間需要被最小化時，就需要使用同時排序。為實施同時排序，內核和I/O電壓應彼此緊密地跟蹤，直到達到較低的理想電壓電平。此外，較低的內核電壓達到了其設定值要求，而較高的I/O電壓將可以繼續(xù)上升至其設定值[2]。
在自升壓模式中，DaVinci處理器要求對CVDD和CVDDDSP內核電源進行同時排序。在主機升壓模式中，CVDD必須斜坡上升，并在CVDDSP開始斜坡上升以前達到其設置值(1.2V)。作為一個最大值，CVDDDSP電源必須在關閉(開啟)“始終開啟”和DSP域之間的短路開關以前上電?？梢砸匀魏雾樞騿覫/O電源(DVDD18、DVDDR2和DVDD33)，但必須在CVDD電源100ms的同時達到設定值[3]。
穩(wěn)壓精度
影響電源系統(tǒng)的電壓容差有幾個因素，其中電壓基準精度是最重要的一個因素，可在電源管理器件的產品說明書中找到其規(guī)范。新型穩(wěn)壓器要求達到±1%的精度或更高的溫度基準精度。一些成本較低的穩(wěn)壓器可能要求±2%或±3%的基準電壓精度。請在產品說明書中查看穩(wěn)壓器廠商的相關規(guī)范，以確保穩(wěn)壓精度可以滿足處理器的要求。另一個影響穩(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，將會帶來額外±0.5%的容差，具體的計算公式為：輸出電壓精度=2*(1-VREF/VOUT)*TOLRES
第三個影響因素是輸出紋波電壓。一個優(yōu)良的設計實踐是針對低于1%輸出電壓的峰峰輸出電壓進行設計，它可使電源系統(tǒng)的電壓容差增加±0.5%。假設基準精度為±2%，那么這三個影響因素加在一起將使電源系統(tǒng)精度為±3%。
DaVinci CVDD電源要求一個可帶來±4.2%精度、50mV容差的1.2V典型內核電源。3.3V DVDD電源具±4.5%精度、150mV的容差，而1.8V DVDD電源則具有±5%精度、90mV的容差。使穩(wěn)壓器靠近負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，且處理器內核電壓要求4.2%容差，則必須對去耦網絡進行設計，以便實現(xiàn)1.2V電壓軌[4]的1.2%精度或14mV容差。
歷史經驗數據顯示，內核電壓隨著處理技術的發(fā)展而不斷降低。對內核電壓稍作改變，便可提供更高的性能，或節(jié)省更多電量。選擇一個具有可編程輸出電壓和±3%以內輸出電壓容差的穩(wěn)壓器是一種較好的設計方法。相比從零開始重新設計一種全新的電源，簡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，并幫助簡化TI片上系統(tǒng)(SoC)器件未來版本的使用。
參考設計
我們構建了若干個電源管理參考設計，并進行數字音頻/視頻應用的測試。這些設計均采用TI的TMS320DM6?43和TMS320DM6?46處理器，這些處理器能滿足排序、電壓精度和啟動要求。圖1是12V電源的參考設計電路圖。該設計采用TPS62111同步降壓轉換器、TPS62040同步降壓轉換器以及TPS73618低壓降調節(jié)器，它們分別提供3.3V、1.2V和1.8V電壓軌。這種參考設計包含一個簡單的外部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的內核電壓，而且還可滿足引腳5軟啟動電容的排序要求。這種解決方案的容差為±3%，效率在90%以上。為滿足主機升壓模式排序方案要求，可以將一個類似的MOSFET、電阻以及電容電路增加到1.2V電壓軌。
圖1：12V電源的參考設計電路圖。
圖2是復位電路。該電路采用TPS3808和TPS3803電源電壓監(jiān)控器來監(jiān)控電壓軌的變化情況。請采用最小值的TPS3808G01(U5)來設計復位電路電源。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TPS54110S WIFT DC/DC轉換器可能會被分別用于實現(xiàn)3A和1.5A電流。SWIFT穩(wěn)壓器具有基于DaVinci技術的數字視頻EVM的特點。如欲了解更多采用了線性調節(jié)器、TPS40K DC/DC轉換器、TPS62xxx DC/DC轉換器或多輸出電源管理單元(PMU)的5V和12V輸入電源
圖2：軌電壓復位和電壓監(jiān)控電路。
本文小結
一旦充分了解去耦、排序和容差要求，為DaVinci處理器設計一款電源解決方案就變得非常簡單明了。在為所有高性能處理器設計電源時，堅持使用上述技術是相當不錯的設計實踐。如果還需要其他支持，可從TI獲取一些參考設計以加速產品上市進程。
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