微處理器內核電壓的調整方法及電壓轉變時間設定

優化電子產品微處理器電源管理對延長電池使用時間十分重要，MAX1586A、MAX1586B和MAX1587A系列電源管理器件針對X-Scale微處理器進行了優化，利用簡單的外圍線路就可調高CPU內核電壓以達到CPU對于輸出電壓的要求，適合更高工作頻率的CPU。本文對CPU內核電壓轉變時間控制、調高輸出電壓的方式以及改變后CPU內核電壓轉變時間的變化進行了詳細推導。

隨著PDA/智能電話體積的縮小和更長電池使用時間的要求，電源管理成為達到這些設計目標的關鍵因素。電源管理控制器包含多組直流電源轉換器、穩壓器、電壓檢測器及控制接口，使用集成電源管理控制器可以節省控制器本身、外圍元件占用的空間和成本，提高電源轉換效率并適時地關閉或調整輸出電壓，進而達到更長的電池使用時間。利用集成電源控制器還可以簡化設計，降低研發風險、縮短產品的上市時間。

集成電源管理控制器

美信集成產品公司推出一系列小型電源管理IC-MAX1586A、MAX1586B和MAX1587A，該系列器件適用于采用X-Scale微處理器的產品。 其中MAX1586和MAX1587提供1MHz同步整流的高性能降壓轉換，因而不必使用外接二極管，可降低成本并減小產品尺寸。該系列IC可提供對7種高性能低電流電源的監控和管理功能，其DC-DC I/O電源可預置為3.3V或3V，也可調整為其它值，電流能高達1.3A。

MAX1586A和MAX1587A對DRAM電源可預置為1.8V或2.5V，MAX1586B DRAM電源可預置為3.3V或2.5V，電流達900mA，器件的DRAM電壓也能通過外部電阻進行調整。該電源管理IC對CPU供電可實現連續可編程的動態電壓管理，電流可達500mA。此外，線性調整的輸出能夠管理SRAM、PLL及USIM供電。

圖1所示為MAX1586集成電源管理控制器，該控制器包含了三組直流電源轉換器(PWM REG1、2、3)、三組穩壓器(LDO REG4、5、6)、兩組電壓檢測器、串行端口控制接口。圖1中第一組轉換器(PWM REG1)主要用于外圍接口供電，預設輸出電壓3.3V、3.0V或由分壓電阻調節，最大輸出電流1.3A，可供給內部處理器、控制器外圍接口或是CF適配卡、SD適配卡等外圍電路；第二組轉換器(PWM REG2)主要用于內存供電，預設輸出電壓2.5V、1.8V或由分壓電阻調節，最大輸出電流0.9A。這兩組轉換器內部各有一個并聯的穩壓器，當輸出負載很小時，可以關閉DC-DC轉換器，改由穩壓器輸出，以減少控制器的工作電流，進而提高轉換效率。

新一代中央處理器為求更省電，內核電源采用動態電壓調整，MAX1586第三組電源轉換器(PWM REG3)用來供給CPU內核電源，其輸出電壓可通過串口控制，輸出范圍可由0.7V調至1.475V，當CPU工作在不同模式時，所需內核電壓也不同，例如在全速運行時需要1.3V，當進入省電模式時工作頻率下降，可能只需要1.0V的供電電壓，通過動態調整CPU的運行速度及內核電壓，進而達到更省電的要求。每次調整輸出電壓時，輸出電壓轉變時間由RAMP引腳外接電容決定，選擇適當的電容器以符合CPU對于內核電壓動態轉換的要求。

內核電壓轉變時間的設定

當由串口控制調整輸出電壓時，內部DAC輸出電壓也隨之改變，DAC輸出通過100KΩ連接至RAMP引腳，而RAMP引腳外接一個電容，在MAX1586設計中第三組直流電源轉換器(PWM REG3)輸出電壓反饋點FB3的電壓V_FB3和RAMP引腳電壓V_RAMP成正比，可得下式：

V_FB3=AV_RAMP，其中A=1.28。

因DAC輸出電壓改變，RAMP引腳電壓V_RAMP按照電阻、電容決定的充放電時間而變化：

Eq1

其中C_RAMP為RAMP引腳外接電容的容量，ΔV為電壓變化量。以1.3V切換至1.0V，C_RAMP=330pF、1500pF、3300pF為例，可以得到圖2所示結果。

利用一個簡單的近似方法可以快速得到轉變時間：2.2倍時間常數約等于輸出電壓從10%變化至90%所需時間，以C_RAMP=1500pF為例,時間常數τ=100KΩC_RAMP=150μs。因而得到輸出電壓轉變所需時間約為330us，如輸出電壓從1.0V變化至1.3V，也就是輸出電壓變化斜率為1mV/us。

調高中央處理器核電壓

當CPU工作頻率愈高，所需核心電壓也愈高，當所需最高電壓高于原來的最大值1.475V時，簡單地修改外圍電路就可將輸出電壓調至所需電壓。下面給出了調高比例及調高電壓兩種調整方式：

1. 調高比例

圖3(a)、(b)為兩種調高比例方式，分別在反饋點或RAMP引腳加入輸出反饋電壓，以達到調高電壓的目的。在圖3(a)中，使用兩個分壓電阻在輸出端及反饋點FB3，可按照固定比例調高電壓，輸出電壓V₃和分壓電阻R₂₄、R ₂₅及RAMP引腳電壓V_RAMP對應關系式如下：

Eq2

以R₂₄=3.32KΩ，R ₂₅=100 KΩ，R _FB3=185.5KΩ為例，

Eq3

最高電壓由1.475V變為1.55V，原本25mV的級差變為26mV，而輸出電壓轉變時間維持不變。

在圖3(b)中，使用電阻R₁連接RAMP引腳及輸出V₃，可按照固定比例調高電壓。

Eq4，

其中V_DAC為內部DAC輸出電壓。

以原本最高1.475V為例，

Eq5

Eq6

若希望調高后電壓為1.55V，則V_RAMP必須為：

EQ7

可得R₁=575 KΩ。

由于電阻R₁的關系，RAMP引腳電壓V_RAMP的時間常數也隨之改變：

在RAMP引腳可以得到

Eq8

代入

Eq9

整理后可以得到:

Eq10

可以得到V_RAMP(t)微分方程式：

Eq11

而V_RAMP(0)、V_DAC(0)、V_RAMP(∝)為己知值，可以得到：

Eq12，其中

Eq13

假設電壓從1.3V變至1.0V，

Eq14，Eq15

得

Eq16，Eq17

新的時間常數為：τ=157μs，而原時間常數=R₂C_RAMP=150μs，只有7μs的變化，輸出電壓轉變時間常數改變很小。

2. 電壓調整法

圖4中，用電阻R₁連接V_RAMP與1.25V參考電壓V_REF，兩個分壓電阻R₃、R₄連接在輸出端和反饋點FB3，可以調高輸出電壓，V₃=1.28V _RAMP+ΔV，ΔV為固定電壓，分析如下：

Eq18,而Eq19，可得

Eq20

可以設定Eq21及Eq22

因而得到Eq23

簡化Eq24及Eq25可以得到：

Eq26及Eq27

代入A=1.28，V_REF=1.25V，ΔV =75mV及R₂

得到R₁=2.133MΩ。

假設Eq28，其中Eq29

可得:

Eq30

Eq31

假設Eq32，Eq33，Eq34，EQ35，可以得到固定Eq36的電壓變化。

本文小結

MAX1586電源控制器能夠提供PDA或智能電話所需的大部份電源管理控制，本文對CPU內核電壓轉變時間控制、調高輸出電壓的方式以及改變后CPU內核電壓轉變時間的變化作了詳細推導，利用簡單的外圍線路就可調高CPU內核電壓以達到CPU對于輸出電壓的要求，適合更高工作頻率的CPU，使得MAX1586在PDA或智能電話的應用上更有彈性。