動(dòng)態(tài)控制開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓

隨著半導(dǎo)體行業(yè)遵循摩爾定律不斷發(fā)展,處理器對(duì)電源的需求也正以驚人的速率在增長(zhǎng)。在電源管理至關(guān)重要的電池供電應(yīng)用中,處理器會(huì)根據(jù)時(shí)鐘速率的增加或減少,調(diào)節(jié)其相應(yīng)的內(nèi)核工作電壓,從而在需要高速處理的時(shí)候全功率供電,在處理器空閑的時(shí)候避免浪費(fèi)剩余功率。但是,為處理器尋找有控制輸出電壓功能的開關(guān)穩(wěn)壓器集成電路(IC)是很困難的,而且價(jià)格通常比普通的開關(guān)穩(wěn)壓器高很多。圖1所示的電路是為嵌入式處理器供電的經(jīng)濟(jì)有效的解決方案,該方案采用了簡(jiǎn)單的降壓式開關(guān)穩(wěn)壓器,處理器BF531通過低成本數(shù)字電位器AD5258,設(shè)置降壓式開關(guān)穩(wěn)壓器ADP3051的輸出電壓。

圖1 嵌入式處理器BF531的供電電路

在該電路中,啟動(dòng)VDDINT引腳電壓=(5kΩ+10kΩ)×0.8V/10kΩ= 1.2V,AD5258從5kΩ開始;最小的VDDINT引腳電壓=0.8V;最大的VDDINT引腳電壓=(5kΩ+10kΩ)× 0.8V/10kΩ+10%過沖裕量=1.2V +10%過沖裕量=1.32V。

ADP3051是一種能提供500mA電流、輸出電壓低至0.8V的電流模式、脈寬調(diào)制(PWM)降壓式開關(guān)穩(wěn)壓器。其輸出電壓用一個(gè)電阻分壓器設(shè)置,該分壓器的高端接到輸出端,低端接到地,中心點(diǎn)接到反饋引腳。當(dāng)調(diào)節(jié)輸出電壓時(shí),ADP3051將反饋引腳保持在恒定的0.8V參考電壓,因此將輸出電壓設(shè)置成分壓比的倒數(shù)與參考電壓的乘積。在本設(shè)計(jì)中,分壓器的低端電阻是10kΩ,高端由數(shù)字電位器AD5258設(shè)置。AD5258有64個(gè)分點(diǎn),用I2C接口改變其滑動(dòng)端設(shè)置。ADSP-BF531 Blackfin嵌入式處理器根據(jù)其功耗的需求,通過I2C接口調(diào)節(jié)AD5258的滑動(dòng)端設(shè)置。這樣通過改變AD5258的滑動(dòng)端設(shè)置來(lái)改變ADP3051輸出電壓,允許Blackfin處理器按照要求調(diào)節(jié)其內(nèi)核電壓。

滿足嵌入式處理器的多種要求是本設(shè)計(jì)中最困難的部分。ADSP-BF531要求在具有50mV分辨率的0.8～1.2V電壓范圍內(nèi),使內(nèi)核電壓的精度達(dá)到25mV之內(nèi)。還有,該嵌入式處理器必須在1.2V啟動(dòng)以初始化其時(shí)鐘。而且,還要有硬件保護(hù)防止輸出電壓超過1.2V,防止軟件錯(cuò)誤發(fā)生。此外,制造商和市場(chǎng)都要求將成本和印制電路板(PCB)面積比現(xiàn)有解決方案減小一半。

數(shù)字電位器雖然能精確地設(shè)置其內(nèi)置電阻器比率,但是通常其絕對(duì)電阻值的誤差很大。這里AD5258不用于設(shè)置電阻器的比率,而是將其內(nèi)置電阻器與外部電阻器相連一起來(lái)設(shè)置輸出電壓。這通常這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)精度降低,但使用AD5258的非易失性存儲(chǔ)器存儲(chǔ)其絕對(duì)電阻值,可以解決這個(gè)問題。ADSP-BF531通過I2C端口讀取這個(gè)有允許誤差的電阻值,并用簡(jiǎn)單的算法調(diào)節(jié)ADP3051輸出電壓以提高精度。圖2是通過示波器觀察到的ADP3051的輸出電壓波形。該圖顯示了輸入電壓Vin為3V,輸出電壓Vout從0.8V增加到1.2V,輸出電流Iout為500mA,過沖電壓大約為60mV。數(shù)字電位器為 5kΩ,而且低端的反饋電阻器是10kΩ。

圖2 ADP3051的輸出電壓波形

AD5258非易失性存儲(chǔ)器的另一優(yōu)點(diǎn)是能夠以任意電阻比值啟動(dòng)AD5258。AD5258的校正設(shè)置已存入非易失性存儲(chǔ)器中,能夠在1.2V啟動(dòng)ADP3051的輸出電壓,以便初始化時(shí)鐘。使用AD5258和外部電阻器提供硬件保護(hù),防止輸出電壓超過1.2V。如果AD5258設(shè)置為0電阻值,那么輸出電壓應(yīng)為0.8V×(0Ω+10kΩ)/10kΩ= 0.8V;如果將它設(shè)置為最大阻值5kΩ,那么輸出電壓應(yīng)為0.8V×(5kΩ+ 10kΩ)/10kΩ=1.2V。如果該嵌入式處理器通過I2C端口控制AD5258,使內(nèi)核電壓從0.8V增加到1.2V,那么輸出電壓會(huì)在40μs內(nèi)保持單調(diào)性增加。