基于小型高頻降壓轉換器的動態電壓管理

隨著手機與其他便攜式電子設備變得日益先進，處于工作與待機狀態的系統消耗的電量也越來越大。因此，便攜式設備的電源管理設計在核心電壓、能量管理以及電池使用壽命等方面面臨著新的挑戰。

硬件設計人員已經開始采用先進的高集成度電源管理器件，其具備核心電壓縮放及各種穩壓器，可為其他軌提供電力(如存儲器、I/O等)。不過這些復雜的解決方案不一定能為系統設計人員提供足夠的靈活性。

本文將在TI第一代高頻降壓轉換器的基礎上，概括性地介紹解決動態電壓管理問題的一種創新方法。

系統概覽

針對便攜式應用的現代處理器大部分都有著集成的I2C接口，連接至外部電源管理單元。(圖1)顯示了生成自適應核心電源的可選解決方案。處理器核心消耗的功率與工作頻率以及VCORE2成正比。

圖1，自適應電壓縮放系統概覽

基于 TPS62300 (3MHz同步降壓轉換器)和 DAC6571(10位數模轉換器)的雙芯片解決方案將高準確度和超小電壓步進結合在了一起。

根據處理器的工作頻率，核心電壓可非常準確地動態調節至較低限值，從而最小化功耗。使用該原則不僅可降低活動模式下的功耗，還可通過減少深度睡眠模式下的漏電流來延長待機時間。

核心電壓的中心

德州儀器(TI)近期發布了TPS62300，它是新一代高頻降壓轉換器的旗艦產品，工作在3MHz的交換頻率上。先進的求和比較器電壓模式控制拓撲提升了穩壓性能的新層次。最佳的瞬態響應和輸出電壓準確度可滿足現代核心所要求的最嚴格電壓規范。

TPS62300 可與低至 1.0uH的電感以及低至4.7F的輸出電容共同工作，這就可以使用微型低成本的芯片電感。該器件還采用芯片級小型封裝(2mm x 1mm x 0.65mm)，從而在小巧外觀解決方案的尺寸成為關鍵因素時，能夠滿足移動電話制造商的需求。

方便的動態電壓縮放

圖2顯示了簡化的TPS62300塊示意圖。其目的在于說明器件的增益架構和控制回路設計。我們注意到，其不同于傳統穩壓器的一個地方是輸出電壓的設置方式。

圖2，TPS62300簡化的結構示意圖

就傳統而言，參考電壓作用于故障放大器的正極，我們通過傳感輸出電壓并通過外部電阻器將其拆分為參考電壓，從而對所需的輸出電壓進行編程。

TPS62300通過內部低功率低偏移運算放大器和外部電阻器編程放大參考電壓(VREF = 400mV)至所需輸出電壓的三分之二，從而生成輸出電壓。該電壓成為“動力系”的參考，其DC封閉回路增益(APT)為1.5。

功率放大器中的固定封閉回路增益不僅提供不變的“小信號”瞬變響應(不管編程輸出電壓如何)，而且在L/C組合方面還實現了很嚴格的穩壓誤差率和穩健性。

圖3，TPS62300參考電壓放大器

(圖3)詳細給出了用于放大帶隙參考電壓的運算放大器的實施情況。該低偏移運算放大器可視為一個帶有A類輸出級的理想放大器，其特點是能夠提供電流，但不會吸收電流。

為了實現帶有負反饋的線性系統，帶隙緩沖放大器需用低于VREF (400mV)的DAC電壓操作。只有這樣電流才能流出ADJ引腳，并通過R1和R2電阻器流向GND。

假定DAC電壓高于VREF，則VREF允許電流通過R 1 和R 2 的另一循環進入ADJ引腳。由于運算放大器輸出級(MOS1)只能提供電流，因此它不能再以線性模式工作。在這種情況下，用于電壓跟隨器配置的MOS1晶體管阻抗很高。實際上，為了“越過”ADJ電壓，我們只需將FB電壓保持高于內部參考電壓(VREF)即可。

如果DAC電壓高于ADJ，參考進入ADJ引腳的電阻，則應考慮配備外部默認電壓設置電阻器R 1 和R 2 (1M ±30%)。

事實上，R1和R2串聯和進入ADJ引腳的電阻形成了分壓器。為了在溫度、線路和負載差異情況下實現誤差不超過1%的DC準確度，我們建議R 1 + R 2 的阻值在 20k 的范圍內選擇。

(圖4)顯示了TPS62300輸出電壓響應和DAC電壓的關系。為了實現動態電壓管理應用的最佳性能，我們建議工作時的DAC電壓高于450mV。

圖4，輸出電壓和DAC控制電壓的關系

I2C控制的自適應電壓縮放

(圖5)顯示了基于TPS62300和DAC6571的電路實施。TPS62300可提供高達500mA的輸出電流和低至0.6V的輸出電壓。

圖5，動態電壓管理的應用電路

10位D/A轉換器DAC6571采用小型6引腳SOT23封裝。該設備是TI單通道D/A轉換器系列DAC7571/6571/5571的一部分，可提供12/10/8位的解析度。上述產品集成了一個I2C接口，可支持標準/快速模式(最大400 kbps)和高速模式(最大3.4 Mbps)。上電時，集成的重置上電電路系統將輸出電壓設置為0V。

在此應用中，TPS62 300直接由單個鋰離子電池供電。DAC6571采用穩壓電源，本例為2.85V。該電源電壓可由另一系統軌得出。D/A轉換器的架構建立在R/2R電阻器串的基礎之上，由設計指定為單調。

就核心電源電壓而言，我們需要考慮兩種不同的操作模式：

● 默認輸出電壓：

該電壓在啟動時DAC重置上電后有效。只要DAC未通過I2C接口編程，其輸出電壓將保持在0V。在此階段，核心電壓可由電阻器R1和R2根據表1(設置默認輸出電壓)中給出的方程式計算得出。