导航: 本文将详细介绍如何为用于移动设备的各种处理器供电。本解决方案采用的是专门用于便携式应用处理器的电源芯片TPS65020。
诸如PDA、智能电话及便携式导航系统等电池供电的手持设备，一般都是由基于先进RISC计算机（ARM）的处理器提供驱动。市面上现有多家制造商的多种器件系列可供选择，如：
● 德州仪器（TI）的OMAP处理器;
● Intel的XScale®处理器;
● 三星的S3C2xxx系列。
这几种处理器均可实现多种不同类型的省电模式。所谓的‘空闲’和‘休眠’模式通常是基于以下事实，即通过关闭处理器部分不使用的内部电路来降低处理器的功耗。一般情况下，采用的方式是关闭相关区块的时钟信号，或在某些省电模式下关闭或降低电源电压。
处理器越先进，为其供电就需要采用更多不同的电源电压。这可通过采用多个单通道转换器来实现，如标准的低压降稳压器（LDO）或降压转换器。由于电源一般是锂离子电池，因此在输出电压低于3.3V时降压转换器可以提供更高的效率—此类应用中输出电压一般低于3.3V。但是，对于某些电源电压而言，使用LDO更为合理。用于在处理器中产生内部时钟信号的锁相环（PLL）对任何噪声都很敏感。因此，需要采用LDO为处理器的该部分供电。由于该区块的电流一般为5mA～30mA，因此对整体效率的影响较小。实时时钟（RTC）的供电也同样如此。如果可以通过接近所需输出电压的电压为LDO供电，则LDO就是一种名副其实的简单、低成本、高效率解决方案。在采用1.8V I/O电压的应用中，我们可以通过该电压轨为PLL-LDO供电，从而使其输出电压达到1.3V，效率达到72％。
由于需要多种不同的电压，因此需要在单个封装中集成多个转换器。这样就可以通过单个电源芯片提供不同的电压，而无需采用可提供所有附加排序电路，以及为处理器产生相关复位信号的独立芯片。
表1显示的各种处理器可为实现最小化功耗而减少内部时钟。另外，较低的时钟频率可以降低处理器的内核电源电压。在OMAP1710和三星S3C2440中，只需将内核电压设定为较低的固定电压。Intel PXA270处理器在这方面稍有不同。其内核电压可以设定为两种不同的电压，并且可以根据内部时钟频率（工作负载）调节到最低和最高电压之间的任何电压值。我们将这种方法称为动态电压调节（DVS）。提供内核电压的转换器必须能够在运行过程中根据DVS规范降低输出电压。
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这里需要考虑两个参数：1）输出电压范围;2）电压变化过程中的斜率。在电压发生变化的DVS周期中，必须控制输出电压的斜率。采用外部组件可以实现控制，如电容器能够为内部降低参考电压的调节速度。也可以通过数字计数器进行控制，以便通过较小的步长将输出电压从初始值调节到目标值，如25mV的步长大小。电源的内部寄存器可用于设置不同步长之间的定时。因此，移动处理器的电源通常包含用于控制其功能的数字接口。
TPS65020结构图
为了给处理器的不同电源轨供电，TPS65020集成了3个高效率的同步降压转换器和2个LDO。另外，它还具备监控电池电压以及为处理器提供复位与唤醒信号所需的所有电路。
设置输出电压
不断降低的电压电平对输出电压的精度也提出了更高的要求，对于内核供电尤为如此。利用标准器件满足这些要求是电源设计人员所面临的挑战，这也是TPS65020设计这种新方案的原因所在。TPS65020中的转换器输出电压可以通过独特的方式进行设置。用于设置输出电压的DEFDCDCx引脚可以用作反馈分压器的数字输入和模拟输入。如果采用外部反馈分压器，则电阻器的容差可以增加内部电路的总容差—主要为带隙电压容差。此类系统中的整体精度始终低于采用内部固定输出电压的解决方案，尽管后者需要2个额外的外接组件。一般情况下，应用中不同转换器的电压是已知的。I/O的电源轨为3.3V，存储器的电压轨为1.8V，内核的电源轨为1.3V。
因此，对于采用在工作过程中能够微调的内部电阻分压器的转换器而言，我们需要定义一系列不同的电压。这种方案可以实现在-40℃～85℃温度范围内达到1％的整体DC精度。采用内部高精度电阻分压器，DEFDCDCx引脚还可用于将转换器的电压设定在两个不同的预定义输出电压之一。例如，在接入GND情况下，通过将DEFDCDC1连接至Vbat或3.0V可以把DCDC1转换器的电压设定为3.3V。
为了在不同负载条件下保持较低的输出电压容差，尤其是为了实现最佳的瞬态响应，我们还必须采取其他措施。除了内部设计之外，我们还需要优化外部组件。在提高电感降压转换器（inductive step-down con
为了采用小电感器（如：2.2mH），转换器还必须能够以高开关频率工作。为了将电感器纹波电流保持在可接受的范围内，这是必须的步骤。TPS65020可以在1.5MHz的开关频率下工作，从而允许采用2.2mH的小电感器和22mF的陶瓷输出电容器。为了降低瞬态电压，可以将输出电容器提高到更高的值。
如表1所示，不同的处理器可能需要不同的电压来驱动内部电路。TPS65020设计用于为Intel PXA270供电。因此，对于SRAM，可将内部LDO的输出电压设为1.1V，对于PLL则设为1.3V。图4显示了一般情况下应如何设置电源，以向Intel PXA 270处理器供电。
某些应用仅降低处理器的内部时钟频率，而不改变电源电压。在此类设计中，就没有必要采用诸如I2C接口等数字接口作为芯片电源，从而能够显著简化包括软件在内的整体设计。
在TPS65020中，LDO电压对于SRAM预设为1.1V，对于Intel PXA270中的PLL则为1.3V。使用I2C接口可以改变电压，但是没有接口的设计就无法实现多种电压。
对于此类应用，我们可以在不使用I2C接口的情况下利用TPS65021作为设置输出电压以及为内部LDO设置电压的工具。可以利用2个外部引脚通过数字的方式设置默认值（参见图5）。
DEFLDO1与DEFLDO2引脚可用于为内部LDO设置4种不同的电压组合，从而使其灵活地适应各种便携式应用。
除了在处理器中用于降低便携应用功耗的所有措施之外，我们还可以针对电源管理采用另外一些措施。利用处理器和电源的最新工艺技术（尤其是电感式降压转换器工艺技术）也能够降低开关损耗，从而有助于提高效率。对于较低的输出电流，通过降低通常称为脉冲频率模式（PFM）的开关频率可以进一步降低开关损耗。同步整流可以在低输出电压时保持高效率，因为内部N沟道MOS（NMOS）的压降与采用外部整流器二极管相比更低，从而在集成整流器开关之后可能显著提高应用的效率并减小应用的尺寸。只要电源芯片需要的电源电流较低，低输出电流时的低开关损耗就可以实现高效的电源。实现最低的电源电流需要对内部参考电压、比较器、驱动器和放大器进行设计。利用这些措施可以在广泛的输出电流范围内实现高于95％的效率，如图6所示。
除了高效率之外，瞬态响应也是处理器电源芯片的重要因素。尤其需要极其准确地进行内核稳压，其中包括负载变化过程中的电压变化。具备快速电压模式控制拓扑的TPS65020可以提供业界最佳的瞬态响应，且不会影响静态电源电流和效率。这些特性使TPS65020当之无愧地成为便携式设备处理器电源的理想解决方案。
