微处理器内核电压的调整方法及电压转变时间设定

优化电子产品微处理器电源|稳压器管理对延长电池使用时间十分重要，MAX1586A、MAX1586B和MAX1587A系列电源管理器件针对X-Scale微处理器进行了优化，利用简单的外围线路就可调高CPU内核电压以达到CPU对于输出电压的要求，适合更高工作频率的CPU。本文对CPU内核电压转变时间控制、调高输出电压的方式以及改变后CPU内核电压转变时间的变化进行了详细推导。

　　随着PDA/智能电话体积的缩小和更长电池使用时间的要求，电源管理成为达到这些设计目标的关键因素。电源管理控制器包含多组直流电源转换器、稳压器、电压检测器及控制接口，使用集成电源管理控制器可以节省控制器本身、外围元件占用的空间和成本，提高电源转换效率并适时地关闭或调整输出电压，进而达到更长的电池使用时间。利用集成电源控制器还可以简化设计，降低研发风险、缩短产品的上市时间。
　　集成电源管理控制器
　　美信集成产品公司推出一系列小型电源管理IC-MAX1586A、MAX1586B和MAX1587A，该系列器件适用于采用X-Scale微处理器的产品。 其中MAX1586和MAX1587提供1MHz同步整流的高性能降压转换，因而不必使用外接二极管，可降低成本并减小产品尺寸。该系列IC可提供对7种高性能低电流电源的监控和管理功能，其DC-DC I/O电源可预置为3.3V或3V，也可调整为其它值，电流能高达1.3A。
　　MAX1586A和MAX1587A对DRAM电源可预置为1.8V或2.5V，MAX1586B DRAM电源可预置为3.3V或2.5V，电流达900mA，器件的DRAM电压也能通过外部电阻进行调整。该电源管理IC对CPU供电可实现连续可编程的动态电压管理，电流可达500mA。此外，线性调整的输出能够管理SRAM、PLL及USIM供电。
　　图1所示为MAX1586集成电源管理控制器，该控制器包含了三组直流电源转换器(PWM REG1、2、3)、三组稳压器(LDO REG4、5、6)、两组电压检测器、串行端口控制接口。图1中第一组转换器(PWM REG1)主要用于外围接口供电，预设输出电压3.3V、3.0V或由分压电阻调节，最大输出电流1.3A，可供给内部处理器、控制器外围接口或是CF适配卡、SD适配卡等外围电路；第二组转换器(PWM REG2)主要用于内存供电，预设输出电压2.5V、1.8V或由分压电阻调节，最大输出电流0.9A。这两组转换器内部各有一个并联的稳压器，当输出负载很小时，可以关闭DC-DC转换器，改由稳压器输出，以减少控制器的工作电流，进而提高转换效率。
　　新一代中央处理器为求更省电，内核电源采用动态电压调整，MAX1586第三组电源转换器(PWM REG3)用来供给CPU内核电源，其输出电压可通过串口控制，输出范围可由0.7V调至1.475V，当CPU工作在不同模式时，所需内核电压也不同，例如在全速运行时需要1.3V，当进入省电模式时工作频率下降，可能只需要1.0V的供电电压，通过动态调整CPU的运行速度及内核电压，进而达到更省电的要求。每次调整输出电压时，输出电压转变时间由RAMP引脚外接电容决定，选择适当的电容器以符合CPU对于内核电压动态转换的要求。

　　内核电压转变时间的设定
　　当由串口控制调整输出电压时，内部DAC输出电压也随之改变，DAC输出通过100KΩ连接至RAMP引脚，而RAMP引脚外接一个电容，在MAX1586设计中第三组直流电源转换器(PWM REG3)输出电压反馈点FB3的电压VFB3和RAMP引脚电压VRAMP成正比，可得下式：
　　VFB3=A×VRAMP，其中A=1.28。
　　因DAC输出电压改变，RAMP引脚电压VRAMP按照电阻、电容决定的充放电时间而变化：
　　Eq1
　　其中CRAMP为RAMP引脚外接电容的容量，ΔV为电压变化量。以1.3V切换至1.0V，CRAMP=330pF、1500pF、3300pF为例，可以得到图2所示结果。
　　利用一个简单的近似方法可以快速得到转变时间：2.2倍时间常数约等于输出电压从10%变化至90%所需时间，以CRAMP=1500pF为例,时间常数τ=100KΩ×CRAMP=150μs。因而得到输出电压转变所需时间约为330us，如输出电压从1.0V变化至1.3V，也就是输出电压变化斜率为1mV/us。
　　调高中央处理器核电压
　　当CPU工作频率愈高，所需核心电压也愈高，当所需最高电压高于原来的最大值1.475V时，简单地修改外围电路就可将输出电压调至所需电压。下面给出了调高比例及调高电压两种调整方式：
　　1. 调高比例
　　图3(a)、(b)为两种调高比例方式，分别在反馈点或RAMP引脚加入输出反馈电压，以达到调高电压的目的。在图3(a)中，使用两个分压电阻在输出端及反馈点FB3，可按照固定比例调高电压，输出电压V3和分压电阻R24、R 25及RAMP引脚电压VRAMP对应关系式如下：
　　Eq2
　　以R24=3.32KΩ，R 25=100 KΩ，R FB3=185.5KΩ为例，
　　Eq3
　　最高电压由1.475V变为1.55V，原本25mV的级差变为26mV，而输出电压转变时间维持不变。
　　在图3(b)中，使用电阻R1连接RAMP引脚及输出V3，可按照固定比例调高电压。
　　Eq4，
　　其中VDAC为内部DAC输出电压。
　　以原本最高1.475V为例，
　　Eq5
　　Eq6
　　若希望调高后电压为1.55V，则VRAMP必须为：
　　EQ7
　　可得R1=575 KΩ。
　　由于电阻R1的关系，RAMP引脚电压VRAMP的时间常数也随之改变：
　　在RAMP引脚可以得到
　　Eq8
　　代入
　　Eq9
　　整理后可以得到:
　　Eq10
　　可以得到VRAMP(t)微分方程式：
　　Eq11
　　而VRAMP(0)、VDAC(0)、VRAMP(∝)为己知值，可以得到：
　　Eq12，其中
　　Eq13
　　假设电压从1.3V变至1.0V，
　　Eq14，Eq15
　　得
　　Eq16，Eq17
　　新的时间常数为：τ=157μs，而原时间常数=R2×CRAMP=150μs，只有7μs的变化，输出电压转变时间常数改变很小。
　　2. 电压调整法
　　图4中，用电阻R1连接VRAMP与1.25V参考电压VREF，两个分压电阻R3、R4连接在输出端和反馈点FB3，可以调高输出电压，V3=1.28V RAMP+ΔV，ΔV为固定电压，分析如下：

　　2. 电压调整法
　　图4中，用电阻R1连接VRAMP与1.25V参考电压VREF，两个分压电阻R3、R4连接在输出端和反馈点FB3，可以调高输出电压，V3=1.28V RAMP+ΔV，ΔV为固定电压，分析如下：
　　Eq18,而Eq19，可得
　　Eq20
　　可以设定Eq21及Eq22
　　因而得到Eq23
　　简化Eq24及Eq25可以得到：
　　Eq26及Eq27
　　代入A=1.28，VREF=1.25V，ΔV =75mV及R2
　　得到R1=2.133MΩ。
　　假设Eq28，其中Eq29
　　可得:
　　Eq30
　　Eq31
　　假设Eq32，Eq33，Eq34，EQ35，可以得到固定Eq36的电压变化。
　　本文小结
　　MAX1586电源控制器能够提供PDA或智能电话所需的大部份电源管理控制，本文对CPU内核电压转变时间控制、调高输出电压的方式以及改变后CPU内核电压转变时间的变化作了详细推导，利用简单的外围线路就可调高CPU内核电压以达到CPU对于输出电压的要求，适合更高工作频率的CPU，使得MAX1586在PDA或智能电话的应用上更有弹性。