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控制技術/MCU  

微處理器核心電壓的調整方法及電壓轉變時間設定

上網時間: 2004年11月14日  打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:X-Scale  微處理器  電源管理IC  動態核  直流電源轉換器 

圖1:MAX1586電源管理控制器。(萸僻艘湮芞) 最佳化電子產品微處理器電源管理對延長電池使用時間十分重要,MAX1586A、MAX1586B和MAX1587A系列電源管理元件針對X-Scale微處理器進行了最佳化,利用簡單的周邊線路就可調高CPU核心電壓以達到CPU對於輸出電壓的要求,適合更高工作頻率的CPU。本文對CPU核心電壓轉變時間控制、調高輸出電壓的方式以及改變後CPU核心電壓轉變時間的變化進行了詳細推導。

隨著PDA/智慧電話體積的縮小和更長電池使用時間的要求,電源管理成為達到這些設計目標的關鍵因素。電源管理控制器包含多組直流電源轉換器、穩壓器、電壓檢測器及控制介面,使用整合電源管理控制器可以節省控制器本身、周邊元件佔用的空間和成本,提高電源轉換效率並適時地關閉或調整輸出電壓,進而達到更長的電池使用時間。利用整合電源控制器還可以簡化設計,降低研發風險、縮短產品的上市時間。

整合電源管理控制器

Maxim整合產品公司推出一系列小型電源管理IC-MAX1586A、MAX1586B和MAX1587A,該系列元件適用於採用X-Scale微處理器的產品。其中MAX1586和MAX1587提供1MHz同步整流的高性能降壓轉換,因而不必使用外接二極體,可降低成本並減少產品尺寸。該系列IC可提供對7種高性能低電流電源的監控和管理功能,其DC-DC I/O電源可預置為3.3V或3V,也可調整為其它值,電流能高達1.3A。

MAX1586A和MAX1587A對DRAM電源可預置為1.8V或2.5V,MAX1586B DRAM電源可預置為3.3V或2.5V,電流達900mA,元件的DRAM電壓也能透過外部電阻進行調整。該電源管理IC對CPU供電可實現連續可程式的動態電壓管理,電流可達500mA。此外,線性調整的輸出能夠管理SRAM、PLL及USIM供電。

圖1所示為MAX1586整合電源管理控制器,該控制器包含了三組直流電源轉換器(PWM REG1、2、3)、三組穩壓器(LDO REG4、5、6)、兩組電壓檢測器、串列埠控制介面。圖1中第一組轉換器(PWM REG1)主要用於周邊介面供電,預設輸出電壓3.3V、3.0V或由分壓電阻調節,最大輸出電流1.3A,可供給內部處理器、控制器周邊介面或是CF適配卡、SD適配卡等周邊電路;第二組轉換器(PWM REG2)主要用於記憶體供電,預設輸出電壓2.5V、1.8V或由分壓電阻調節,最大輸出電流0.9A。這兩組轉換器內部各有一個並聯的穩壓器,當輸出負載很小時,可以關閉DC-DC轉換器,改由穩壓器輸出,以減少控制器的工作電流,進而提高轉換效率。圖2. 1.3V至1.0V輸出電壓轉變時間。

新一代中央處理器為求更省電,核心電源採用動態電壓調整,MAX1586第三組電源轉換器(PWM REG3)用來供給CPU核心電源,其輸出電壓可透過串列埠控制,輸出範圍可由0.7V調至1.475V,當CPU工作在不同模式時,所需核心電壓也不同,例如在全速執行時需要1.3V,當進入省電模式時工作頻率下降,可能只需要1.0V的供電電壓,透過動態調整CPU的執行速度及核心電壓,進而達到更省電的要求。每次調整輸出電壓時,輸出電壓轉變時間由RAMP接腳外接電容器決定,選擇適當的電容器以符合CPU對於核心電壓動態轉換的要求。

核心電壓轉變時間的設定

當由串列埠控制調整輸出電壓時,內部DAC輸出電壓也隨之改變,DAC輸出透過100KΩ連接至RAMP接腳,而RAMP接腳外接一個電容器,在MAX1586設計中第三組直流電源轉換器(PWM REG3)輸出電壓反饋點FB3的電壓VFB3和RAMP接腳電壓VRAMP成正比,可得下式:

VFB3=A×VRAMP,其中A=1.28。

因DAC輸出電壓改變,RAMP接腳電壓VRAMP按照電阻、電容器決定的充放電時間而變化:

其中CRAMP為RAMP接腳外接電容器的容量,ΔV為電壓變化量。以1.3V切換至1.0V,CRAMP=330pF、1500pF、3300pF為例,可以得到圖2所示結果。

利用一個簡單的近似方法可以快速得到轉變時間:2.2倍時間常數約等於輸出電壓從10%變化至90%所需時間,以CRAMP=1500pF為例,時間常數τ=100KΩ×CRAMP=150μs。因而得到輸出電壓轉變所需時間約為330us,如輸出電壓從1.0V變化至1.3V,也就是輸出電壓變化斜率為1mV/us。

調高中央處理器核電壓

當CPU工作頻率愈高,所需核心電壓也愈高,當所需最高電壓高於原來的最大值1.475V時,簡單地修改周邊電路就可將輸出電壓調至所需電壓。下面給出了調高比例及調高電壓兩種調整方式:

1. 調高比例


圖3(a)、(b)為兩種調高比例方式,分別在反饋點或RAMP接腳加入輸出反饋電壓,以達到調高電壓的目的。在圖3(a)中,使用兩個分壓電阻在輸出端及反饋點FB3,可按照固定比例調高電壓,輸出電壓V3和分壓電阻R24、R 25及RAMP接腳電壓VRAMP對應關係式如下:


Eq2

以R24=3.32KΩ,R 25=100 KΩ,R FB3=185.5KΩ為例,


Eq3

最高電壓由1.475V變為1.55V,原本25mV的級差變為26mV,而輸出電壓轉變時間維持不變。

在圖3(b)中,使用電阻R1連接RAMP接腳及輸出V3,可按照固定比例調高電壓。


Eq4,


其中VDAC為內部DAC輸出電壓。

以原本最高1.475V為例,圖3:a. 比例調整方法一。 b. 比例調整方法二。


Eq5


Eq6

若希望調高後電壓為1.55V,則VRAMP必須為:


EQ7

可得R1=575 KΩ。

由於電阻R1的關係,RAMP接腳電壓VRAMP的時間常數也隨之改變:


在RAMP接腳可以得到


Eq8

代入


Eq9

整理後可以得到:


Eq10

可以得到VRAMP(t)微分方程式:


Eq11

而VRAMP(0)、VDAC(0)、VRAMP( )為己知值,可以得到:


Eq12,其中


Eq13

假設電壓從1.3V變至1.0V,圖4:電壓調整方法。


Eq14,Eq15



Eq16,Eq17

新的時間常數為:τ=157μs,而原時間常數=R2×CRAMP=150μs,只有7μs的變化,輸出電壓轉變時間常數改變很小。

2. 電壓調整法


圖4中,用電阻R1連接VRAMP與1.25V參考電壓VREF,兩個分壓電阻R3、R4連接在輸出端和反饋點FB3,可以調高輸出電壓,V3=1.28V RAMP+ΔV,ΔV為固定電壓,分析如下:

Eq18,而Eq19,可得

Eq20

可以設定Eq21及Eq22


因而得到Eq23


簡化Eq24及Eq25可以得到:


Eq26及Eq27

代入A=1.28,VREF=1.25V,ΔV =75mV及R2


得到R1=2.133MΩ。


假設Eq28,其中Eq29

可得:


Eq30


Eq31

假設Eq32,Eq33,Eq34,EQ35,可以得到固定Eq36的電壓變化。

本文小結

MAX1586電源控制器能夠提供PDA或智慧電話所需的大部份電源管理控制,本文對CPU核心電壓轉變時間控制、調高輸出電壓的方式以及改變後CPU核心電壓轉變時間的變化作了詳細推導,利用簡單的周邊線路就可調高CPU核心電壓以達到CPU對於輸出電壓的要求,適合更高工作頻率的CPU,使得MAX1586在PDA或智慧電話的應用上更有彈性。

作者:藍瑞立


顏士明


MAXIM台灣公司





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