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DC-DC开关稳压器—— 在DSP体系中延伸电源模块池寿命

标签:开关,稳压,稳压器,体系,延伸,电源,模块,寿命 时间:2018年10月22日 阅读20
【导读】长期以来,MP3播放器、小我媒体播放器、数码相机以及其他便携式消耗类应用的设计人员面临的一项挑衅是实现产品的高性能和低功耗。这些电源模块池供电源模块体系通常都使用嵌入式数字旌旗灯号处理器(DSP),当体系处理多媒体应用义务时模块电源,DSP能达到最大处理能力,而当体系处于睡眠模式时,DSP具有最小的功耗。电源模块池寿命在手持式产品中是特别很是紧张的指标,产品成功与否与供电源模块体系的服从直接相干。   此类体系中的一个关键部件是降压式DC-DC开关稳压器,它能够高效地从较高电源模块压获得较低的供电源模块电源模块压,如从4.5 V获得1V的供电源模块电源模块压。作为稳压器,其必须保持恒定的电源模块压,而且能够对输入电源模块压的转变以及负载电源模块流的转变敏捷做出相应。本文将讨论的架构具有精良的稳压性能以及高服从和快速相应的好处。   开关稳压器剖析
  图1示出了ADI公司ADP2102的典型应用电源模块路,这是一款低占空比、3 MHz同步整流降压转换器。ADP2102具有固定输出电源模块压和可调输出电源模块压的多种配置。这里将ADP2102连接成固定输出电源模块压配置持压泄压阀,由5.5 V的输入电源模块压产生300mA、0.8 V输出电源模块压。接下来给出输出电源模块压可调的应用示例。   DC-DC开关稳压器—— 在DSP体系中延伸电源模块池寿命 图1. 使用ADP2102由5.5 V输入产生0.8 V输出   这里将简单地诠释该电源模块路的工作原理:将DC输出电源模块压的分压与偏差放大器中的内部参考源比较,然后将偏差放大器的输出与电源模块流采样放大器的输出比较,以驱动单稳态触发器。单稳态触发器在由VOUT/VIN确定的时间周期内处于暂稳态。单稳态触发器使上面的门控晶体管导通,电源模块感L1中的电源模块流渐渐变大。当单稳态触发器的暂稳态结束时,晶体管截止,电源模块感L1中的电源模块流渐渐变小。在由最小关断时间准时器和最小(“谷值”)电源模块流确定的时间间隔之后,单稳态触发器再次被触发。芯片内的单稳态触发准时器使用输入电源模块压前馈,使得稳态时保持恒定的频率。   该振荡以不确定的频率(大约为3MHz)持续进行,但是在需要的情况下可以相应线路和负载的瞬态转变而偏离该频率,以便输出电源模块压保持恒定,并且使电源模块感电源模块流的平均值保持在输出负载所必要的电源模块流值。   上文描述的方法是相对新鲜的。多年来,DC-DC变换的重要方法是恒频峰值电源模块流方法,当该方法在降压式DC-DC转换器中实现时,其还被称为后沿调制。有关该方法的细致描述、对其优瑕玷的评估以及上文描述的恒定导通时间谷值电源模块流模式转换器,请参考其他技术文章。   ADP2012还具有欠压闭锁功能、软启动功能、过热珍爱功能和短路珍爱功能,并且具有±1%的反馈精度。该架构能够使主开关的导通时间低至60 ns或更低。   图2示出了不同条件下的典型波形。图2a示出了在ILOAD=600mA,电源模块压从VIN=5.5V减小到VOUT=0.8V时的低占空比。如图中所示,在3MHz的开关频率下河南人事考试信息网,可以获得45 ns的最小导通时间。   图2b示出了负载电源模块流突增300mA时,负载电源模块流和电源模块感电源模块流波形。   图2c示出了负载电源模块流突减300mA时,负载电源模块流和电源模块感电源模块流波形。   图2d示出了在占空比为50%时不存在次谐波振荡,而使用峰值电源模块流模式控制时必须在设计时加以考虑。当占空比大于或小于50%时,同样不存在次谐波振荡。   DC-DC开关稳压器—— 在DSP体系中延伸电源模块池寿命 图 2a.VIN= 5.5 V, VOUT= 0.8 V, 最小导通时间=45 ns   DC-DC开关稳压器—— 在DSP体系中延伸电源模块池寿命 图 2b. 突加负载瞬态相应(ILOAD= 300 mA)   DC-DC开关稳压器—— 在DSP体系中延伸电源模块池寿命 图2c. 突减负载瞬态相应 (ILOAD= 300 mA)   DC-DC开关稳压器—— 在DSP体系中延伸电源模块池寿命 图2d. 占空比 = 50%, VIN= 3.3 V, VOUT= 1.8 V, ILOAD= 300 mA   DSP应用中的动态电源模块压调节   在使用DSP的便携式应用中,通常由开关转换器提供DSP的内核电源模块压和I/O电源模块压,这必要使用电源模块池供电源模块应用的高服从DC-DC转换器。提供内核电源模块压的稳压器必须能够基于处理器的时钟速度动态改变电源模块压或者按照软件的指令动态改变电源模块压。另外,团体解决方案的小尺寸也同样紧张。   这里描述的是,在电源模块池供电源模块的应用中将Blackfin®处理器的内部稳压器替换为外部高服从稳压器,以进步体系供电源模块服从。而且,这里还介绍了用于外部稳压器的控制软件。   动态电源模块源管理   处理器的功耗与工作电源模块压(VCORE)的平方成正比,并且与工作频率(FSW)成正比。因此,降低频率能够使动态功耗线性降落,而降低内核电源模块压可以使动态功耗指数降落。   在对功耗敏感的应用中,当DSP仅简单地监视体系运动或者等待外部触发旌旗灯号时,在保持供电源模块电源模块压不变的情况下改变时钟频率,这对降低功耗是特别很是有效的。然而,在高性能电源模块池供电源模块的应用中,仅改变频率并不能明显节约电源模块能。Blackfin处理器以及其他的具有高级电源模块源管理功能的DSP可以依次改变内核电源模块压和频率,由此可以在任何情况下均实现最优的电源模块池行使。   ADSP-BF53x系列Blackfin处理器中的动态电源模块压的稳压通常是由内部电源模块压控制器和外部MOSFET实现的。该方法的好处在于,可以将单电源模块压(VDDEXT)施加到DSP子体系,从MOSFET得到的所需的内核电源模块压(VDDINT)。通过内部寄存器可以软件控制内核电源模块压,以便于控制MIPS,并且最终控制能耗,由此实现最优的电源模块池寿命。   为了完备地实现Blackfin内部稳压方案,必要一个外部MOSFET、肖特基二极管、大电源模块感和多个输出电源模块容器,该解决方案价格相对昂贵,服从却很差,而且占用的PCB板面积是相对较大的,这给体系设计人员带来了很大的矛盾,在集成稳压器中必要使用大电源模块感和电源模块容器,不利于消耗者所盼望的便携式设备尽可能小型化。该集成稳压控制器的服从是相对较低,通常仅为50%~70%,因此该方法不太适用于高性能手持式电源模块池供电源模块应用。   外部稳压   通过新型DC-DC开关转换器设计方法,可以将Blackfin集成方法自己的服从进步到90%或更高。而且,在使用外部稳压器时可以减小外部元件的尺寸。   还可以使用多种动态电源模块压调整(DVS)控制方案,包括开关电源模块阻器(其在某些情况中可由DAC实现)和脉宽调制(PWM)(其可以实现与内部方法雷同的精度)。不论使用哪种方案,其必须能够通过软件控制改变稳压电源模块平。上述稳压控制方法在内部稳压器是集成的,而在外部稳压中必须通过外加器件来实现。   本文描述了两种使用ADP2102同步DC-DC转换器调节DSP内核电源模块压的方法,当处理器在低时钟速度下运行时,可动态地将内核电源模块压从1.2 V调节到1.0V。   ADP2102高速同步开关转换器在由2.7V~5.5V的电源模块池电源模块压供电源模块时,可以使内核电源模块压低到0.8 V。其恒定导通时间的电源模块流模式控制以及3MHz开关频率提供了精良的动态相应、特别很是高的服从和出色的源调整率和负载调整率。较高的开关频率许可体系使用超小型多层电源模块感和陶瓷电源模块容器。ADP2102采用3 mm×3 mm LFCSP封装,节约了空间,仅必要三或四个外部元件。而且ADP2102包括完美的功能,诸如各种安全特性,如欠压闭锁、短路珍爱和过热珍爱。   图3示出了实现DVS的电源模块路。ADSP-BF533 EZ-KIT Lite®评估板上的3.3 V电源模块源为降压转换器ADP2102供电源模块,使用外部电源模块阻分压器R1和R2将ADP2102的输出电源模块压设定为1.2 V。DSP的GPIO引脚用于选择所需的内核电源模块压。改变反馈电源模块阻值可以在1.2 V~1.0 V的范围内调节内核电源模块压。通过与R2并联的电源模块阻R3,N沟MOSFET可以修改分压器。相比于R3,IRLML2402的RDSon较小,仅为0.25 Ω。3.3 V的GPIO电源模块压用于驱动MOSFET的栅极。为了获得更好的瞬态性能并改善负载调整率,必要加入前馈电源模块容器CFF。   DC-DC开关稳压器—— 在DSP体系中延伸电源模块池寿命 图3. 使用外部MOSFET和Blackfin PWM控制进行ADP2102的动态电源模块压调整   对于双电源模块平开关,一样平常的应用要求是:   DSP内核电源模块压 (VOUT1) = 1.2 VDSP内核电源模块压 (VOUT2) = 1.0 V输入电源模块压 = 3.3 V输出电源模块流 = 300 mA 使用高阻值的分压电源模块阻可将功率损失降到最低。前馈电源模块容在开关过程中降低栅漏电源模块容的影响。通过使用较小的反馈电源模块阻和较大的前馈电源模块容可以使该暂态过程中引起的过冲或下冲最小网页设计报价,但这是以额外的功耗为代价的。   图4示出了输出电源模块流IOUT、输出电源模块压VOUT和控制电源模块压VSEL。VSEL为低电源模块平时,输出电源模块压为1.0 V,VSEL为高电源模块平时,输出电源模块压为1.2 V。   DC-DC开关稳压器—— 在DSP体系中延伸电源模块池寿命 图4. 通过MOSFET调节下面的反馈电源模块阻器   一种较简单的方法可生成用于DVS的两个不同的电源模块压,其使用控制电源模块压VC通过另外的电源模块阻将电源模块流注入到反馈网络中。调节控制电源模块压的占空比可以改变其平均DC电源模块平。因此使用一个控制电源模块压和电源模块阻可以调节输出电源模块压。下面的公式用于计算电源模块阻R2、R3的值以及控制电源模块压幅度电源模块平VC_LOW和VC_HIGH.   DC-DC开关稳压器—— 在DSP体系中延伸电源模块池寿命   (1)   DC-DC开关稳压器—— 在DSP体系中延伸电源模块池寿命   (2)   对于VOUT1= 1.2 V,VOUT2= 1.0 V,VFB= 0.8 V,VC_LOW= 3.3 V,VC_HIGH =0 V, 和R1= 49.9 kohm,R2andR3可以如下计算   DC-DC开关稳压器—— 在DSP体系中延伸电源模块池寿命   (3)   DC-DC开关稳压器—— 在DSP体系中延伸电源模块池寿命   (4)   该方法产生了更加平滑的变换。不同于MOSFET开关方法,能够驱动电源模块阻负载的任何控制电源模块压均可用于该方案,而MOSFET开关方法仅能够用于驱动电源模块容负载的控制旌旗灯号源。该方法可以适用于任何输出电源模块压组合和输出负载电源模块流。因此,根据必要调整内核电源模块压,便可以降低DSP的功耗。图5示出了使用该电源模块流注入方法的两个输出电源模块压之间的变换。   DC-DC开关稳压器—— 在DSP体系中延伸电源模块池寿命 图5. 使用控制电源模块压 VC进行ADP2102的动态电源模块压调整   DC-DC开关稳压器—— 在DSP体系中延伸电源模块池寿命 图6. 通过控制电源模块压调节下面的反馈电源模块阻器    

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