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文檔簡介
1、微處理器核心供電管理論文 隨著處理器核心電壓與ASIC核心電壓輪番持續(xù)下降,只有徹底理解了需求和可選方案,才能選出能提供這些所需低電壓的最佳設計。一般來說,在可能的情況下,我們大多數(shù)人都更愿意用線性穩(wěn)壓器,而不是開關穩(wěn)壓器。因為線性穩(wěn)壓器,或LDO(lowdropout,低壓降)穩(wěn)壓器,一般實現(xiàn)起來比較簡單,成本低,體積小。但是,線性穩(wěn)壓器從VIN到VOUT電壓降產生的功率損失會降低電源效率,并且發(fā)熱高,所以,線性穩(wěn)壓器經常被排除在可選范圍之外。而且,當VOUT伴隨著微處理器核心電壓進一步下降,線性穩(wěn)壓器可能會更難于符合要求。然而,立即拋棄LDO穩(wěn)壓器也不明智的,畢竟它還有許多優(yōu)點。 在對線性
2、穩(wěn)壓器作了評估后,我們還需要遍歷所有的開關穩(wěn)壓器可選方案。是應該采用同步方式還是異步方式;用電流模式還是電壓模式;脈沖寬度、脈沖頻率還是磁滯開關?還需要其它特性嗎?如果可選的線性穩(wěn)壓器和開關穩(wěn)壓器實在太多,要找到一個最適合自己產品的方案,就應該把應用需求列出一個詳細清單,然后同各種可供選擇的方案進行比較。應該記住:選擇正確設計的過程包括三個步驟,第一步就是建立有關需求、約束以及所期望特性的完整清單,從而全面理解自己的需要并使其文檔化。 這個清單開始于一些基本要素:如輸入電壓、輸出電壓以及負載電流。然后盡可能多地添加其它信息。清單中包含的需求、約束和期望特性越多,就更容易縮小可選方案的范圍。這一
3、清單可以提示出什么是重要的,并幫助理解及證明自己的最終決定。清單的其它項可能包括:成本、尺寸、電壓降(壓差VIN-VOUT的最低值)、最小/最大輸入電壓、最小/最大可接受負載電壓、容錯/精度、負載瞬態(tài)電流、線路調整率、靜態(tài)電流、電池類型及壽命、開/關腳、封裝/布局/定位的限制、順序、軟起動、環(huán)境溫度、期望和禁止的開關頻率、對部件來源/類型的限制等等。除此以外,是否還有其它因素會影響到最終決策呢? 經過對需求與約束的充分考察并使之文檔化后,第二個步驟是研究選擇線性穩(wěn)壓器的可行性。這一步很有必要,這樣可以在研究線性穩(wěn)壓器優(yōu)劣的同時,快速地縮小可選范圍。最重要的一些計算都很簡單,通過這些計算可以確定
4、功率損耗、效率以及需要的散熱方式:首先,用IOUT與壓差VIN-VOUT的乘積計算出功率損耗,然后與IC內部電路的功耗相加:PLOSS=(VIN-VOUT)IOUT+PIC,其中,PIC=VINIGND(IGND亦為ISUPPLY或IQ)。 確認采用了最大的VIN和最小的VOUT來計算最差情況的數(shù)值。電源通常指定了最大VIN,而最小VOUT的準確值可以通過數(shù)據(jù)表得到。接下來計算給負載提供的功率,方法是用輸出電壓乘以負載電流:POUT=VOUTIOUT。最后,計算效率:用加到負載上的輸出功率除以系統(tǒng)總功率:效率=POUT/(POUT+PLOSS)。于是就得到了一些關鍵數(shù)據(jù),可以用來篩選線性穩(wěn)壓器
5、。 圖1,線性穩(wěn)壓器壓差VIN-VOUT(VDIFF)范圍內,功率損失與IOUT關系。 功率損耗有兩個后果:發(fā)熱和低效率。使用線性穩(wěn)壓器的關鍵在于是否可以發(fā)散和耐受產生的熱量,以及避免由此所致電池壽命的縮減。另一個關鍵問題是,是否能通過提高LDO穩(wěn)壓器的性能來維持它的候選資格。圖1顯示了在某個VIN-VOUT差(VDIFF)范圍內,功率損耗與IOUT的關系。圖2顯示了幾種常見封裝的功率耗散能力。如圖2所示,業(yè)界標準封裝技術可以在不加散熱片情況下提供超過2W的功耗。可將此數(shù)值與上面計算的PLOSS相比較。圖3按圖2所示順序和相對大小列出了各種封裝形式。 圖2,在無散熱片情況下,工業(yè)標準封裝技術可
6、以提供高于2.0W的功率耗散。 圖3,按圖2順序列出的封裝以及相對尺寸。 已知負載電流和壓差VIN-VOUT確定功率損耗,那么如何提高LDO穩(wěn)壓器的性能,使之適應標準封裝的限制?盡管負載決定了輸出電流和電壓,但仍可以減小輸入電壓和VDIFF。如果能降低這個電壓差,就可以減小功耗和封裝的約束,也就可以有更多可供選擇的LDO穩(wěn)壓器方案。 圖4,F(xiàn)ET正在代替雙極晶極管用于傳輸晶體管,因為FET的低導通電阻可以提供比雙極晶體管固定飽和電壓更低的壓降。 新型LDO穩(wěn)壓器滿足了這一要求,它具有比以往產品更低的電壓降(VDIFF),以及降低最小輸入電壓和輸出電壓等級的方法。需要用場效應管(FET)代替雙極
7、晶體管來擔當傳輸晶體管角色,因為FET的導通電阻電壓降低于雙極晶體管的固定飽和電壓(圖4)。但很遺憾,大多數(shù)的LDO穩(wěn)壓器仍然要求最低輸入電壓要高于控制電路的工作電壓。市場上也出現(xiàn)了一些改進后的LDO穩(wěn)壓器:它們有一個VIN和一個VBIAS輸入,即將主電流通路與IC的偏置通路分隔開。換句話說,該器件的控制電路運行在較高的標準電壓下(5V),有極小的電流(3mA),而通向輸出端的大電流通路則來自一個獨立的低電壓輸入(VIN)。這種設置降低了壓差VIN-VOUT以及功率損耗。美國國家半導體的LP3883就是使用VBIAS端的一個電路實例,它在3A輸出電流時壓降為210mV。可以從一個1.5V電源(
8、另一個核心電壓)為1.2V負載(3.6W)提供3A電流,而功率損失僅為900mW。再加上控制電路消耗的3mA電流(控制電路電壓為5V),總的功率損耗只有915mW,因此可以采用很多封裝形式。使用這些新型LDO穩(wěn)壓器,最佳策略就成了找到并利用電路板上的最低電壓。標準封裝的線性穩(wěn)壓器一般都比開關穩(wěn)壓器更便宜、更小,使用也更方便。 可以用以下公式確定應用的功耗對散熱方式的要求:JA=(TJ-TA)/PLOSS,其中JA為封裝的熱阻;TJ為IC的最大結溫(一般為125C),TA為緊貼IC的環(huán)境溫度(系統(tǒng)的內部環(huán)境)。在本例中,TA為30(大致的室內溫度),TJ為125。計算出方案所需JA后,將其與LD
9、O數(shù)據(jù)表中的封裝進行比較,選定一種封裝形式。數(shù)據(jù)表中封裝的JA必須等于或小于計算出的JA值,否則結溫可能會超出設定的最大值。 現(xiàn)在,我們已經計算了某個線性穩(wěn)壓方案的功率損失,并且確定了用于散熱的封裝形式。下面要考慮一下功耗和效率對電池壽命的影響。電池壽命一般用毫安小時(mAh)來表示。可以粗略地認為一節(jié)100mAh的電池可以提供10個小時的10mA電流,或提供一個小時的100mA電流。(當然許多因素可以影響或降低這一數(shù)值。) 如果IC核心需要100mA電流,則無論輸入電壓或輸出電壓如何,線性穩(wěn)壓器都必須通過它的傳輸晶體管供給100mA電流。但是,開關穩(wěn)壓器可以通過控制傳輸晶體管的導通時間(占空
10、比)來減少對輸入端平均輸入電流的需求。在大多數(shù)情況下,開關穩(wěn)壓器效率都高于LDO,因為它的輸入電流是可以減小的,所以對那些需要高效率并對熱量敏感的應用來說,開關穩(wěn)壓器方案更具吸引力。 關于線性穩(wěn)壓器有一個最后要注意的問題:如果核心電壓是1.2V,應確定它是否能承受更高的電壓。市面上大多數(shù)的線性穩(wěn)壓器都使用標準的帶隙基準源,它的最低輸出電壓極限是大約1.25V。如果核心可以承受稍高的電壓,可以選擇的器件范圍就寬多了,通常成本會更低。 現(xiàn)在,已經清楚了線性穩(wěn)壓方案的參數(shù),如效率、功耗、壓降以及封裝。第三步查看一下開關穩(wěn)壓器。前面提到過的新型LDO穩(wěn)壓器電壓降已經大幅減小,某些情況下已接近了開關穩(wěn)壓
11、器的效率,拓寬了它們的應用范圍。然而,開關穩(wěn)壓器總體上效率仍然更高,也有許多種類可供選擇。 圖5,計算出的效率曲線,1.2V輸出電壓,50mA至5A電流范圍,分別對應于一個同步開關穩(wěn)壓器、一個異步開關穩(wěn)壓器和一個線性穩(wěn)壓器時。 先來比較一下開關穩(wěn)壓器的與線性穩(wěn)壓器的效率。圖5顯示了計算出的效率曲線,它們分別是一個同步開關穩(wěn)壓器、一個異步開關穩(wěn)壓器和一個線性穩(wěn)壓器,條件均為1.2V輸出電壓,輸出電流范圍為50mA至5A。當輸入電壓從3.3V降至2.5V和1.5V時,異步開關穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器的效率均有較大提高。對線性穩(wěn)壓器,效率大致為VOUT/VIN,所以當輸入電壓降為1.5V時,效率大約提高3
12、5%至80%,接近開關穩(wěn)壓器的效率。異步開關穩(wěn)壓器的效率增加約10%,因為當輸入電壓下降時,占空比增加,傳輸晶體管導通的時間多于二極管,這就需要更高的固定電壓降(本例為0.5V)。應記住這些效率只是理論值。在實際應用中,由于開關穩(wěn)壓器有傳輸晶體管和電感的壓降,從1.5V可能得不到1.2V電壓,此時LDO穩(wěn)壓器就更具吸引力了。 現(xiàn)在,注意一下低輸出電壓條件下開關穩(wěn)壓器的效率,以及兩種主要開關穩(wěn)壓器(同步和異步)之間的比較評定。開關穩(wěn)壓器效率較高是因為它們降低了對電源電流的需求。對線性穩(wěn)壓器,傳輸晶體管總是導通的,多余的能量(VDIFFIOUT)都以熱能形式散發(fā)出去。但是,開關穩(wěn)壓器可以把這個多余
13、的能量儲存在輸出端的電感和電容中。負載可以從這里汲取能量,直至下一個開關周期刷新它們。由于開關穩(wěn)壓器是儲存能量而不是浪費掉它們,因此降低了平均輸入電流,提高了效率。 圖6,異步穩(wěn)壓器使用一個三極管和一個二極管完成能量傳送周期。同步穩(wěn)壓器則使用兩個三極管。 異步穩(wěn)壓器使用一個三極管和一個二極管來完成能量傳輸過程(圖6)。在周期的第一部分,三極管將能量從源頭送給負載和LC濾波器。當三極管截止時,正向偏置的二極管使LC中儲存的能量流向負載,完成周期的剩余部分。由于二極管導通需要較高的正偏電壓,所以最好是盡量使傳輸晶體管導通時間加長,以提高效率。但不幸的是,低輸出電壓經常會產生短的占空周期。 同步穩(wěn)壓
14、器用另一個三極管替代了異步穩(wěn)壓器中的二極管。這支三極管的電壓降低于二極管,于是效率高于異步開關穩(wěn)壓器。但輕載時則是一個例外,因為此時低導通電阻對系統(tǒng)效率提升作用不大,但仍要開關同步FET管。圖5顯示了這一效應。當IOUT接近0A時,同步FET的開關損耗明顯降低了效率。 一般而言,在需要低占空因數(shù)、大輸出電流或低輸出電壓的情況下(如為處理器核心供電的情況),同步穩(wěn)壓器的效率仍然高于異步穩(wěn)壓器。 許多開關穩(wěn)壓器有在輕載時提高同步穩(wěn)壓效率的功能。有些可以跳過脈沖或降低開關頻率,使開關動作不那么頻繁。另一種方法是關掉同步FET驅動,使用一個異步二極管與同步FET并聯(lián)組成通路。這種方法在輕載工作時取異步
15、運行效率,而在正常工作狀態(tài)用同步運行效率。當然,每增加一個特性都會增加復雜性、成本或電路體積。因此,必須將這些可選方案與需求和約束進行比較來作出決定。 哪個是設計中最重要的因素?效率、成本還是體積?糟糕的是,對開關穩(wěn)壓器來說,這三大因素的計算要比線性穩(wěn)壓器復雜得多。比較好的著手解決的方法是采用一般的效率曲線圖(如圖5所示)來確定哪種方案最適合對效率的要求。搞清楚成本和體積的限制是很關鍵的。高的開關頻率使得電路可以采用更小的電感和電容,從而能夠降低整體體積和方案成本。但開關頻率的升高可能會降低設計的總體效率。 由于可選方案眾多,因此應該從多個線性和開關穩(wěn)壓電源供應商那里獲得幫助。有了需求清單,就
16、可以對一系列可行方案進行快速鑒別,還可以對沒有公開發(fā)表的新器件進行研究。一旦可選范圍縮小后,就可以計算各方案的效率、成本和體積,并且再次利用供應商的支持與工具,比較各種可能方案的特性。還應記住,盡管新型開關穩(wěn)壓器可能包括亞帶隙基準源,但大多數(shù)仍然繼續(xù)沿用標準的帶隙基準源,因此多數(shù)開關穩(wěn)壓器的最小輸出電壓仍被限制為1.25V。 這里要特別提一下開關電容變換器。開關電容變換器可以提供比線性穩(wěn)壓器更高的效率,無需使用電感。但是,它們的電流限制約為300mA。開關電容設計在電池供電的應用中很有吸引力,此時電感尺寸和EMI問題都是重要的限制因素。但是,采用新型開關技術與電感技術的開關穩(wěn)壓器已經在許多應用中獲得了相當?shù)年P注,而這些應用以前都是用開關電容
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