DSP应用中的动态电压调节 - 新型DC-DC开关转换器设计：在DSP系统中延长电池寿命

　　DSP应用中的动态电压调节

　　在使用DSP的便携式应用中，通常由开关转换器提供DSP的内核电压和I/O电压，这需要使用电池供电应用的高效率DC-DC转换器。提供内核电压的稳压器必须能够基于处理器的时钟速度动态改变电压或者按照软件的指令动态改变电压。另外，整体解决方案的小尺寸也同样重要。

　　这里描述的是，在电池供电的应用中将Blackfin®处理器的内部稳压器更换为外部高效率稳压器，以提高系统供电效率。而且，这里还介绍了用于外部稳压器的控制软件。

　　动态电源管理

　　处理器的功耗与工作电压（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下降，而降低内核电压可以使动态功耗指数下降。

　　在对功耗敏感的应用中，当DSP仅简单地监视系统活动或者等待外部触发信号时，在保持供电电压不变的情况下改变时钟频率，这对降低功耗是非常有用的。然而，在高性能电池供电的应用中，仅改变频率并不能显著节约电能。Blackfin处理器以及其他的具有高级电源管理功能的DSP可以依次改变内核电压和频率，由此可以在任何情况下均实现最优的电池利用。

　　ADSP-BF53x系列Blackfin处理器中的动态电压的稳压通常是由内部电压控制器和外部MOSFET实现的。该方法的优点在于，可以将单电压（VDDEXT）施加到DSP子系统，从MOSFET得到的所需的内核电压（VDDINT）。通过内部寄存器可以软件控制内核电压，以便于控制MIPS，并且最终控制能耗，由此实现最优的电池寿命。

　　为了完整地实现Blackfin内部稳压方案，需要一个外部MOSFET、肖特基二极管、大电感和多个输出电容器，该解决方案价格相对昂贵，效率却很差，而且占用的PCB板面积是相对较大的，这给系统设计人员带来了很大的矛盾，在集成稳压器中需要使用大电感和电容器，不利于消费者所希望的便携式设备尽可能小型化。该集成稳压控制器的效率是相对较低，通常仅为50%~70%，因此该方法不太适用于高性能手持式电池供电应用。

　　外部稳压

　　通过新型DC-DC开关转换器设计方法，可以将Blackfin集成方法本身的效率提高到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压调整（DVS）控制方案，包括开关电阻器（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相同的精度）。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的电池电压供电时，可以使内核电压低到0.8 V。其恒定导通时间的电流模式控制以及3MHz开关频率提供了优良的动态响应、非常高的效率和出色的源调整率和负载调整率。较高的开关频率允许系统使用超小型多层电感和陶瓷电容器。ADP2102采用3 mm×3 mm LFCSP封装，节约了空间，仅需要三或四个外部元件。而且ADP2102包括完善的功能，诸如各种安全特征，如欠压闭锁、短路保护和过热保护。

　　图3示出了实现DVS的电路。ADSP-BF533 EZ-KIT Lite® 评估板上的3.3 V电源为降压转换器ADP2102供电，使用外部电阻分压器R1和R2将ADP2102的输出电压设定为1.2 V。DSP的GPIO引脚用于选择所需的内核电压。改变反馈电阻值可以在1.2 V~1.0 V的范围内调节内核电压。通过与R2并联的电阻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，需要加入前馈电容器CFF。

　　图3. 使用外部MOSFET和Blackfin PWM控制进行ADP2102的动态电压调整

　　对于双电平开关，一般的应用要求是：

　　DSP内核电压 （VOUT1） = 1.2 V

　　DSP内核电压 （VOUT2） = 1.0 V

　　输入电压 = 3.3 V

　　输出电流 = 300 mA

　　使用高阻值的分压电阻可将功率损失降到最低。前馈电容在开关过程中降低栅漏电容的影响。通过使用较小的反馈电阻和较大的前馈电容可以使该暂态过程中引起的过冲或下冲最小，但这是以额外的功耗为代价的。

　　图4示出了输出电流IOUT、输出电压VOUT和控制电压VSEL。VSEL为低电平时，输出电压为1.0 V，VSEL为高电平时，输出电压为1.2 V。

　　图4. 通过MOSFET调节下面的反馈电阻器

　　一种较简单的方法可生成用于DVS的两个不同的电压，其使用控制电压VC通过另外的电阻将电流注入到反馈网络中。调节控制电压的占空比可以改变其平均DC电平。因此使用一个控制电压和电阻可以调节输出电压。下面的公式用于计算电阻R2、R3的值以及控制电压幅度电平VC_LOW 和 VC_HIGH.

　　（1）

　　（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， R2 and R3可以如下计算

　　（3）

　　（4）

　　该方法产生了更加平滑的变换。不同于MOSFET开关方法，能够驱动电阻负载的任何控制电压均可用于该方案，而MOSFET开关方法仅能够用于驱动电容负载的控制信号源。该方法可以适用于任何输出电压组合和输出负载电流。因此，根据需要调整内核电压，便可以降低DSP的功耗。图5示出了使用该电流注入方法的两个输出电压之间的变换。

　　图5. 使用控制电压 VC进行ADP2102的动态电压调整

　　图6. 通过控制电压调节下面的反馈电阻器