討論DSP系統中延遲電池壽命關鍵--DC/DC穩壓器

　　引言

　　長期以來，MP3播放器、個人媒體播放器、數碼相機以及其他便攜式消費類應用的設計人員面臨的一項挑戰是實現產品的高性能和低功 耗。這些電池供電系統通常都使用嵌入式數字信號處理器（DSP），當系統處理多媒體應用任務時，DSP能達到最大處理能力，而當系統處于睡眠模式 時，DSP具有最小的功耗。電池壽命在手持式產品中是非常重要的指標，產品成功與否與供電系統的效率直接相關。

　　此類系統中的一個關鍵部件是降壓式DC-DC開關穩壓器，它能夠高效地從較高電壓獲得較低的供電電壓，如從 4.5 V獲得1V的供電電壓。作為穩壓器，其必須保持恒定的電壓，而且能夠對輸入電壓的變化以及負載電流的變化迅速做出響應。本文將討論的架構具有優良的穩壓性 能以及高效率和快速響應的優點。

　　開關穩壓器剖析

　　圖1示出了ADI公司ADP2102的典型應用電路，這是一款低占空比、3 MHz同步整流降壓轉換器。ADP2102具有固定輸出電壓和可調輸出電壓的多種配置。這里將ADP2102連接成固定輸出電壓配置，由5.5 V的輸入電壓產生300mA、0.8 V輸出電壓。接下來給出輸出電壓可調的應用示例。

　　圖1. 使用ADP2102由5.5 V輸入產生0.8 V輸出

　　這里將簡單地解釋該電路的工作原理：將DC輸出電壓的分壓與誤差放大器中的內部參考源比較，然后將誤差放大器的輸出與電流采樣放大器的輸出比較，以驅動單穩態觸發器。單穩態觸發器在由VOUT/VIN確 定的時間周期內處于暫穩態。單穩態觸發器使上面的門控晶體管導通，電感L1中的電流逐漸變大。當單穩態觸發器的暫穩態結束時，晶體管截止，電感L1中的電 流逐漸變小。在由最小關斷時間定時器和最小（“谷值”）電流確定的時間間隔之后，單穩態觸發器再次被觸發。芯片內的單穩態觸發定時器使用輸入電壓前饋，使 得穩態時保持恒定的頻率。

　　該振蕩以不確定的頻率（大約為3MHz）持續進行，但是在必要的情況下可以響應線路和負載的瞬態變化而偏離該頻率，以便輸出電壓保持恒定，并且使電感電流的平均值保持在輸出負載所需要的電流值。

　　上文描述的方法是相對新穎的。多年來，DC-DC變換的主要方法是恒頻峰值電流方法，當該方法在降壓式DC-DC轉換器中實現時，其還被稱為后沿調制。有關該方法的詳細描述、對其優缺點的評估以及上文描述的恒定導通時間谷值電流模式轉換器，請參考其他技術文章。

　　ADP2012還具有欠壓閉鎖功能、軟啟動功能、過熱保護功能和短路保護功能，并且具有±1%的反饋精度。該架構能夠使主開關的導通時間低至60 ns或更低。

　　圖2示出了不同條件下的典型波形。圖2a示出了在ILOAD=600mA，電壓從VIN=5.5V減小到VOUT=0.8V時的低占空比。如圖中所示，在3MHz的開關頻率下，可以獲得45 ns的最小導通時間。

　　圖2b示出了負載電流突增300mA時，負載電流和電感電流波形。

　　圖2c示出了負載電流突減300mA時，負載電流和電感電流波形。

　　圖2d示出了在占空比為50%時不存在次諧波振蕩，而使用峰值電流模式控制時必須在設計時加以考慮。當占空比大于或小于50％時，同樣不存在次諧波振蕩。

　　圖 2a. VIN = 5.5 V， VOUT = 0.8 V， 最小導通時間=45 ns

　　圖 2b. 突加負載瞬態響應（ILOAD = 300 mA）

　　圖2c. 突減負載瞬態響應 （ILOAD = 300 mA）

　　圖2d. 占空比 = 50%， VIN = 3.3 V， VOUT = 1.8 V， ILOAD = 300 mA

　　DSP應用中的動態電壓調節

　　在使用DSP的便攜式應用中，通常由開關轉換器提供DSP的內核電壓和I/O電壓，這需要使用電池供電應用的高效率DC-DC轉換器。提供內核電壓的穩壓 器必須能夠基于處理器的時鐘速度動態改變電壓或者按照軟件的指令動態改變電壓。另外，整體解決方案的小尺寸也同樣重要。

　　這里描述的是，在電池供電的應用中將Blackfin處理器的內部穩壓器更換為外部高效率穩壓器，以提高系統供電效率。而且，這里還介紹了用于外部穩壓器的控制軟件。

　　動態電源管理

　　處理器的功耗與工作電壓（VCORE）的平方成正比，并且與工作頻率（FSW）成正比。因此，降低頻率能夠使動態功耗線性下降，而降低內核電壓可以使動態功耗指數下降。

　　在對功耗敏感的應用中，當DSP僅簡單地監視系統活動或者等待外部觸發信號時，在保持供電電壓不變的情況下 改變時鐘頻率，這對降低功耗是非常有用的。然而，在高性能電池供電的應用中，僅改變頻率并不能顯著節約電能。Blackfin處理器以及其他的具有高級電 源管理功能的DSP可以依次改變內核電壓和頻率，由此可以在任何情況下均實現最優的電池利用。