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上網本處理器電源設計要點

發布時間:2009-5-18 15:54    發布者:賈延安
關鍵詞: 處理器 , 電源 , 上網 , 設計 , 要點
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性。處理器技術的發展必須要和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 ofactivity)急劇變化而出現陡峭的負載瞬態時,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。為避免出現穩定性問題,一定要確保電源的穩定性,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(變為非單調狀態)。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。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壓器的PWERGOOD引腳連接至另一個穩壓器的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。可以以任何順序啟動I/O電源(DVDD18、DVDDR2和DVDD33),但必須在CVDD電源100ms的同時達到設定值[3]。
穩壓精度
影響電源系統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范。新型穩壓器要求達到±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壓器廠商的相關規范,以確保穩壓精度可以滿足處理器的要求。另一個影響穩壓精度的因素是穩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壓器,以便最大化地重用,并幫助簡化TI片上系統(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電源電壓監控器來監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 WIFTDC/DC轉換器可能會被分別用于實現3A和1.5A電流。SWIFT穩壓器具有基于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器、TPS40K DC/DC轉換器、TPS62xxxDC/DC轉換器或多輸出電源管理單元(PMU)的5V和12V輸入電源參考設計,敬請訪問www.ti.com/dsppower

圖2:軌電壓復位和電壓監控電路。
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。
參考文獻
[1]請參見TMS320DM6?43產品說明書的第90頁《TMS320DM6?43數字媒體片上系統硅芯片修訂版1.3、1.2以及1.1》(文獻編號:SPRZ282E),網址:http://focus.ti.com/lit/er/sprz240f/sprz240f.pdf
[2]請參見應用手冊:1)《利用TPS54x80和TPS54x73SWIFTDC/DC轉換器進行排序》(文獻編號:SLVA007),網址:http://focus.ti.com/general/docs ... bstractName=slva007;以及2)《雙路電源電壓DSP的電源排序解決方案》(文獻編號:SLVA073A),請登錄TI網站http://focus.ti.com/lit/an/slva073a/slva073a.pdf了解有關排序的更多詳情。
[3]請參見TMS320DM6?43產品說明書的第8?頁《TMS320DM6?43數字媒體片上系統硅芯片修訂版1.3、1.2以及1.1》(文獻編號:SPRZ282E),網址:http://focus.ti.com/lit/er/sprz240f/sprz240f.pdf
[4]請參見TMS320DM6?43產品說明書的第85頁《TMS320DM6?43數字媒體片上系統硅芯片修訂版1.3、1.2以及1.1》(文獻編號:SPRZ282E),網址:http://focus.ti.com/lit/er/sprz240f/sprz240f.pdf
鳴謝:本文中的參考設計由TIHPA便攜式電源應用產品部工廠應用工程師Jeff Falin設計并測試,特此感謝。
作者:Rich Nowakowski
DC/DC轉換器產品營銷經理
德州儀器
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