DSP處理器電源方案設(shè)計(jì)研究

為復(fù)雜的DSP處理器設(shè)計(jì)良好的電源是非常重要的。良好的電源應(yīng)有能力應(yīng)付動(dòng)態(tài)負(fù)載切換并可以控制在高速處理器設(shè)計(jì)中存在的噪聲和串?dāng)_。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(zhuǎn)進(jìn)/轉(zhuǎn)出低功耗模式造成的。依賴(lài)于電源設(shè)計(jì)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(yīng)有能力處理總線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)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(shè)計(jì)人員在選擇DSP電源時(shí)首先需選定穩(wěn)壓器的類(lèi)型。穩(wěn)壓器可分為兩大類(lèi)，即線(xiàn)性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。由于采用了由一個(gè)導(dǎo)通元件和一個(gè)誤差放大器組成的簡(jiǎn)單拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，線(xiàn)性穩(wěn)壓器易于使用。線(xiàn)性穩(wěn)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(fù)載和在輸入和輸出之間壓差較大時(shí)效率低。線(xiàn)性穩(wěn)壓器功耗的計(jì)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(fù)載電流，可能產(chǎn)生超出線(xiàn)性穩(wěn)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(wěn)壓器。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器使用電感和電容來(lái)存儲(chǔ)和傳輸從輸入到輸出的能量。由于導(dǎo)通元件并非常通并一直向輸出端傳輸功率，這種結(jié)構(gòu)的效率高于線(xiàn)性穩(wěn)壓器。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可采用脈沖頻率調(diào)制(PFM)和脈沖寬度調(diào)制(PWM)。PFM型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)是輕載效率高，由于DSP頻繁轉(zhuǎn)進(jìn)/轉(zhuǎn)出低功耗模式，這是一項(xiàng)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(wěn)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(wěn)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(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)在較高頻率運(yùn)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(duì)于在低功耗模式下運(yùn)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(shù)據(jù)手冊(cè)中，電源電壓容差都是一項(xiàng)重要的指標(biāo)。對(duì)于給處理器供電的電源，必須滿(mǎn)足的要求是永遠(yuǎn)不降到這個(gè)指標(biāo)之外。要滿(mǎn)足這個(gè)指標(biāo)，電源面臨著許多必須克服的挑戰(zhàn)，因而，在選擇電源時(shí)需要仔細(xì)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(nèi)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(shè)計(jì)師只有3%的裕量來(lái)克服其它障礙。幸運(yùn)的是，電源的輸入電壓是相對(duì)穩(wěn)定的，借助于良好的去耦電容布局，設(shè)計(jì)人員不必?fù)?dān)心線(xiàn)穩(wěn)壓指標(biāo)。但是，設(shè)計(jì)人員必須關(guān)注負(fù)載穩(wěn)壓指標(biāo)，因?yàn)镈SP處理器需承受多重負(fù)載并需進(jìn)出低功耗模式。典型的負(fù)載穩(wěn)壓指標(biāo)可能在0.2%到0.5%之間，是電源總?cè)莶畹闹匾M成部分。

最后，負(fù)載變化將不但會(huì)影響穩(wěn)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(fù)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(yīng)必須足夠快且強(qiáng)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(duì)負(fù)載變化做出反應(yīng)的速度有多快，而增益決定了反應(yīng)的強(qiáng)度。圖1表明，當(dāng)容差為5%時(shí)，負(fù)載穩(wěn)壓和電源精度已經(jīng)用去了2.2%，只為電源留下33mV來(lái)應(yīng)付處理器可能承受的任何暫態(tài)。在為DSP選擇電源時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要密切關(guān)注這些指標(biāo)和電源的負(fù)載暫態(tài)行為。

圖1： DSP處理器的電壓容差。