DSP處理器電源方案設(shè)計研究

為復雜的DSP處理器設(shè)計良好的電源是非常重要的。良好的電源應(yīng)有能力應(yīng)付動態(tài)負載切換并可以控制在高速處理器設(shè)計中存在的噪聲和串擾。DSP處理器中的不斷變化的瞬態(tài)是由高開關(guān)頻率和轉(zhuǎn)進/轉(zhuǎn)出低功耗模式造成的。依賴于電源設(shè)計的帶寬和布局，這些快速變化的瞬態(tài)過程可能引起較高的電壓下降。電源也應(yīng)有能力處理總線競爭和去耦電容放電所引起的大幅度的浪涌電流。如果沒有能力管理較大的電流，輸出電壓可能會降到處理器電壓最大容許范圍之外。

設(shè)計人員在選擇DSP電源時首先需選定穩(wěn)壓器的類型。穩(wěn)壓器可分為兩大類，即線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器。由于采用了由一個導通元件和一個誤差放大器組成的簡單拓撲結(jié)構(gòu)，線性穩(wěn)壓器易于使用。線性穩(wěn)壓器的主要優(yōu)點是，由于通常環(huán)路帶寬較高，輸出噪聲低且瞬態(tài)性能較好，主要缺點是在大負載和在輸入和輸出之間壓差較大時效率低。線性穩(wěn)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。這個電壓差乘以5A或更大的負載電流，可能產(chǎn)生超出線性穩(wěn)壓器承受能力的功耗。因此，處理器電源通常選用開關(guān)穩(wěn)壓器。開關(guān)穩(wěn)壓器使用電感和電容來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(jié)構(gòu)的效率高于線性穩(wěn)壓器。開關(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型開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)點是輕載效率高，由于DSP頻繁轉(zhuǎn)進/轉(zhuǎn)出低功耗模式，這是一項非常重要的特性。這種技術(shù)的缺點是，由于在每個周期開始時有大量的電流傳送到輸出端，其噪聲通常高于PWM穩(wěn)壓器。通過在輸出端額外添加電容可降低這個噪聲。PWM穩(wěn)壓器工作在一個固定的頻率，通過改變脈沖寬度來保持正確的輸出電壓。一般來說，PWM穩(wěn)壓器的優(yōu)點是，當在較高頻率運行時，噪音低且使用的元件較小。不過，它們確實有輕載效率低的缺點，對于在低功耗模式下運行的處理器，這個缺點可能會帶來問題。

在任何DSP處理器的數(shù)據(jù)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，必須滿足的要求是永遠不降到這個指標之外。要滿足這個指標，電源面臨著許多必須克服的挑戰(zhàn)，因而，在選擇電源時需要仔細考慮各種因素。電源的輸出電壓精度在這個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%。如果電源的過熱輸出精度為2%，那么，設(shè)計師只有3%的裕量來克服其它障礙。幸運的是，電源的輸入電壓是相對穩(wěn)定的，借助于良好的去耦電容布局，設(shè)計人員不必擔心線穩(wěn)壓指標。但是，設(shè)計人員必須關(guān)注負載穩(wěn)壓指標，因為DSP處理器需承受多重負載并需進出低功耗模式。典型的負載穩(wěn)壓指標可能在0.2%到0.5%之間，是電源總?cè)莶畹闹匾M成部分。

最后，負載變化將不但會影響穩(wěn)壓，而且由于其快速變化的動態(tài)特性，將給電源帶來幅度大且速度快的負載暫態(tài)。要在這些動態(tài)暫態(tài)過程中保持輸出電壓，電源做出的反應(yīng)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，但這個功率大部分將來自電源的環(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(yīng)的速度有多快，而增益決定了反應(yīng)的強度。圖1表明，當容差為5%時，負載穩(wěn)壓和電源精度已經(jīng)用去了2.2%，只為電源留下33mV來應(yīng)付處理器可能承受的任何暫態(tài)。在為DSP選擇電源時，設(shè)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。