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為了滿(mǎn)足4G-LTE基站的需求，DSP制造商在其處理器中提供了更強大的處理能力和更大的吞吐量。這些多核處理器許多以GHz的速度運行并使用加速器來(lái)提高吞吐量。雖然這些新特性通過(guò)支持更多的通道提高了基站的密度，但也迫使設計人員設計出功率更高且仍魯棒的電源。不良的電源可能會(huì )導致電壓偏低或電流提供能力不足，進(jìn)而導致產(chǎn)生無(wú)法預測的邏輯故障。一個(gè)好的DSP電源應有能力對負載暫態(tài)提供足夠電流，有能力處理浪涌電流，并在啟動(dòng)時(shí)準確地對電源排序。 隨著(zhù)手機普遍從單純的通訊工具演變成包含Web和電子郵件訪(fǎng)問(wèn)能力的設備，滿(mǎn)足用戶(hù)對無(wú)線(xiàn)數據服務(wù)的需求已成為無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商面臨的新挑戰。在過(guò)去，有線(xiàn)連接可通過(guò)增加額外的線(xiàn)纜來(lái)提高帶寬。遺憾的是，對于無(wú)線(xiàn)公司，要提高數據傳輸速度和容量就必須創(chuàng )造新的技術(shù)和標準。無(wú)線(xiàn)技術(shù)從基于調頻無(wú)線(xiàn)電的蜂窩技術(shù)(1G)發(fā)展到基于CDMA的GSM(2G)，然后發(fā)展到基于CDMA2000的技術(shù)(3G)。為滿(mǎn)足新的LTE/WiMAX(4G)標準的要求，DSP處理器需處理更大的數據吞吐量，處理器的處理復雜性大大增加。 為復雜的DSP處理器設計良好的電源是非常重要的。良好的電源應有能力應付動(dòng)態(tài)負載切換并可以控制在高速處理器設計中存在的噪聲和串擾。DSP處理器中的不斷變化的瞬態(tài)是由高開(kāi)關(guān)頻率和轉進(jìn)/轉出低功耗模式造成的。依賴(lài)于電源設計的帶寬和布局，這些快速變化的瞬態(tài)過(guò)程可能引起較高的電壓下降。電源也應有能力處理總線(xiàn)競爭和去耦電容放電所引起的大幅度的浪涌電流。如果沒(méi)有能力管理較大的電流，輸出電壓可能會(huì )降到處理器電壓最大容許范圍之外。 設計人員在選擇DSP電源時(shí)首先需選定穩壓器的類(lèi)型。穩壓器可分為兩大類(lèi)，即線(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)穩壓器。由于采用了由一個(gè)導通元件和一個(gè)誤差放大器組成的簡(jiǎn)單拓撲結構，線(xiàn)性穩壓器易于使用。線(xiàn)性穩壓器的主要優(yōu)點(diǎn)是，由于通常環(huán)路帶寬較高，輸出噪聲低且瞬態(tài)性能較好，主要缺點(diǎn)是在大負載和在輸入和輸出之間壓差較大時(shí)效率低。線(xiàn)性穩壓器功耗的計算公式為： 
輸入電壓通常為5V或3.3V，輸出電壓則降至1.0V至 1.2V。這個(gè)電壓差乘以5A或更大的負載電流，可能產(chǎn)生超出線(xiàn)性穩壓器承受能力的功耗。因此，處理器電源通常選用開(kāi)關(guān)穩壓器。開(kāi)關(guān)穩壓器使用電感和電容來(lái)存儲和傳輸從輸入到輸出的能量。由于導通元件并非常通并一直向輸出端傳輸功率，這種結構的效率高于線(xiàn)性穩壓器。開(kāi)關(guān)穩壓器可采用脈沖頻率調制(PFM) 和脈沖寬度調制(PWM)。PFM型開(kāi)關(guān)穩壓器的優(yōu)點(diǎn)是輕載效率高，由于DSP頻繁轉進(jìn)/轉出低功耗模式，這是一項非常重要的特性。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是，由于在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)有大量的電流傳送到輸出端，其噪聲通常高于PWM穩壓器。通過(guò)在輸出端額外添加電容可降低這個(gè)噪聲。PWM穩壓器工作在一個(gè)固定的頻率，通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)保持正確的輸出電壓。一般來(lái)說(shuō)，PWM穩壓器的優(yōu)點(diǎn)是，當在較高頻率運行時(shí)，噪音低且使用的元件較小。不過(guò)，它們確實(shí)有輕載效率低的缺點(diǎn)，對于在低功耗模式下運行的處理器，這個(gè)缺點(diǎn)可能會(huì )帶來(lái)問(wèn)題。 在任何DSP處理器的數據手冊中，電源電壓容差都是一項重要的指標。對于給處理器供電的電源，必須滿(mǎn)足的要求是永遠不降到這個(gè)指標之外。要滿(mǎn)足這個(gè)指標，電源面臨著(zhù)許多必須克服的挑戰，因而，在選擇電源時(shí)需要仔細考慮各種因素。電源的輸出電壓精度在這個(gè)容差中占有很大一部分。例如，一款典型的DSP處理器可能要求 1.2V的內核電壓和1.8V的I/O電源電壓，容差均為5%。如果電源的過(guò)熱輸出精度為2%，那么，設計師只有3%的裕量來(lái)克服其它障礙。幸運的是，電源的輸入電壓是相對穩定的，借助于良好的去耦電容布局，設計人員不必擔心線(xiàn)穩壓指標。但是，設計人員必須關(guān)注負載穩壓指標，因為DSP處理器需承受多重負載并需進(jìn)出低功耗模式。典型的負載穩壓指標可能在0.2%到0.5%之間，是電源總容差的重要組成部分。 最后，負載變化將不但會(huì )影響穩壓，而且由于其快速變化的動(dòng)態(tài)特性，將給電源帶來(lái)幅度大且速度快的負載暫態(tài)。要在這些動(dòng)態(tài)暫態(tài)過(guò)程中保持輸出電壓，電源做出的反應必須足夠快且強烈。大容量的輸出電容有助于緩解電壓下降，但這個(gè)功率大部分將來(lái)自電源的環(huán)路帶寬和增益。電源的環(huán)路帶寬決定了電源對負載變化做出反應的速度有多快，而增益決定了反應的強度。圖1表明，當容差為5%時(shí)，負載穩壓和電源精度已經(jīng)用去了2.2%，只為電源留下33mV來(lái)應付處理器可能承受的任何暫態(tài)。在為 DSP選擇電源時(shí)，設計人員需要密切關(guān)注這些指標和電源的負載暫態(tài)行為。
圖1： DSP處理器的電壓容差。 人們常常低估電源良好布局的重要性，但事實(shí)上，它可以對滿(mǎn)足總的電源容差要求起到很大作用。正確放置去耦電容可以幫助降低噪聲和串擾，這對開(kāi)關(guān)穩壓器尤為重要。把開(kāi)關(guān)穩壓器的輸入電容放在接近輸入引腳的地方可大幅度減小輸入電源中的偏差。這反過(guò)來(lái)可減小線(xiàn)暫態(tài)的影響并可把輸出偏差減小0.2%到 0.5%�？紤]到大多數DSP的電壓容差為5%，這是一個(gè)不小的量。應把去耦電容和電感放在靠近該器件的地方以減小電流環(huán)。 在開(kāi)關(guān)穩壓器中，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)是電壓在近似地電壓到輸入電壓之間切換的高頻節點(diǎn)。布局不當可導致開(kāi)關(guān)節點(diǎn)與系統中的其它信號相互干擾。圖2顯示了一個(gè)正確的開(kāi)關(guān)穩壓器布局，電流環(huán)小并靠近穩壓器。紅色連線(xiàn)是大功率和開(kāi)關(guān)連接，必須在物理上靠近該器件以盡量減小噪聲和串擾。藍色連線(xiàn)是噪聲敏感的連接，布線(xiàn)時(shí)應遠離開(kāi)關(guān)節點(diǎn)。在外部元件中，CIN和COUT應放在最靠近該器件的地方。
圖2：開(kāi)關(guān)穩壓器的布局考慮。 Micrel 公司的MIC22950提供了一種為DSP處理器內核供電的理想解決方案。大多數DSP制造商認為DSP電源應提供內核最大耗流(計算值)兩倍的電流，MIC22950具有10A的電流輸出能力，可避免發(fā)生供流能力不足的情況。圖3給出了MIC22950的框圖。MIC22950的一個(gè)重要特性是帶有用于解決浪涌電流問(wèn)題的斜度控制(RC)功能。電容上電流的計算公式為：
其中C是電容，ΔV是電容兩端的電壓，ΔT是時(shí)間�？梢酝ㄟ^(guò)控制輸入電壓的時(shí)間斜度來(lái)控制浪涌電流。通過(guò)聯(lián)合使用RC引腳和上電復位(POR)引腳，MIC22950可以解決在DSP處理器中的排序問(wèn)題。DSP數據手冊中包含電源接通和關(guān)斷的排序信息。通過(guò)聯(lián)合使用RC引腳和POR引腳，設計人員可以實(shí)現加窗排序、延時(shí)排序和按比例排序。
圖3：MIC22950的框圖 MIC22950 的輸出電壓精度為2%，有能力滿(mǎn)足DSP處理器苛刻的容差范圍要求。其負載穩壓范圍為0.2%，還余下超過(guò)2.8%可用于克服由處理器快速切換產(chǎn)生的任何負載瞬態(tài)。圖4顯示了在MIC22950上輸出電流從1A變化到10A時(shí)的負載瞬態(tài)。通常，DSP處理器不會(huì )有這樣大的負載瞬態(tài)，但即使出現這樣的情況，在輸出電壓為1.8V時(shí)，MIC22950的輸出電壓變化小于50mV，低于2.8%的偏差要求。
圖4：MIC22950的線(xiàn)瞬態(tài)。 MIC22950 也是使用SuperThermal(tm) FET技術(shù)的新系列產(chǎn)品的成員。該公司已經(jīng)發(fā)布了MIC22400、MIC22600和MIC22700，分別具有提供4A、6A和7A輸出電流的能力。通過(guò)使用該技術(shù)，Micrel公司使MIC22950成為業(yè)內現有的功率密度最高的產(chǎn)品之一。輸出功率與封裝尺寸之比可作為功率密度的度量。由于基站的板空間是受限的，設計人員不能無(wú)限制地增大電源的尺寸。所以，設計人員會(huì )選擇功率密度最高的器件，在確保電路得到足夠功率的同時(shí)盡可能節省寶貴的電路板空間。MIC22950的功率密度為0.4A/mm2，而業(yè)內大多數其它產(chǎn)品的功率密度仍低于0.23A/mm2。 MIC23153 是一款為DSP的I/O電壓供電的理想解決方案。具有2A電流能力并采用新的HyperLight Load(tm)(HLL)架構，MIC23153可在輕載和重載時(shí)都非常高效地提供功率。對于輕載應用，HLL架構使用存儲在輸出電容中的電荷來(lái)維持輸出電壓。由于負載電流低，輸出電壓的下降將需要更長(cháng)的時(shí)間。在關(guān)機狀態(tài)，除誤差比較器和帶隙比較器之外，MIC23153關(guān)閉電流環(huán)一側的所有電路，從而在關(guān)機模式節省更多的能量。一旦輸出電壓下降到低于帶隙電壓，HLL架構發(fā)出信號進(jìn)而啟用高壓側晶體管。通過(guò)這種只在必要時(shí)接通輸出的方法，Micrel 公司的這種專(zhuān)利架構使用脈沖頻率調制(PFM)在輕載時(shí)提供高效率。在重載時(shí)，MIC23153工作在固定頻率的PWM模式，從而綜合利用了PFM和 PWM穩壓器的優(yōu)點(diǎn)。 MIC23153的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是功率良好(PG)功能。當該芯片連接到輸出電壓時(shí)，如果輸出電壓高于其設定電壓的92%，PG引腳將輸出邏輯電平高。此引腳可與電壓監視器及MIC22950聯(lián)用以協(xié)助處理DSP處理器所需的排序。 隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)標準和技術(shù)的演進(jìn)，電源行業(yè)也必須改變以跟上不斷改變的市場(chǎng)。DSP處理器不斷提高的集成度和不斷加快的處理速度使處理器電源面臨更大的壓力。通過(guò)理解相關(guān)指標的重要性和謹慎布局，設計人員可以開(kāi)發(fā)出功率更高但仍魯棒的電源。 注：HyperLight Load 和SuperThermal是Micrel公司的商標。 |
