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(tài)的系統(tǒng)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(zhàn),。
　　硬件設計人員已經(jīng)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(wěn)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(tǒng)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(zhuǎn)換器的基礎上,，概括性地介紹解決動態(tài)電壓管理問題的一種創(chuàng)新方法。

　　系統(tǒng)概覽

　　針對便攜式應用的現(xiàn)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(tǒng)概覽

　　基于 TPS62300 （3MHz同步降壓轉(zhuǎn)換器）和 DAC6571（10位數(shù)模轉(zhuǎn)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(jù)處理器的工作頻率,，核心電壓可非常準確地動態(tài)調(diào)節(jié)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(fā)布了TPS62300，它是新一代高頻降壓轉(zhuǎn)換器的旗艦產(chǎn)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(wěn)壓性能的新層次。最佳的瞬態(tài)響應和輸出電壓準確度可滿足現(xiàn)代核心所要求的最嚴格電壓規(guī)范,。
　　TPS62300 可與低至 1.0uH的電感以及低至4.7礔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(tài)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(tǒng)穩(wěn)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(tǒng)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(nèi)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（V_REF = 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(xiàn)了很嚴格的穩(wěn)壓誤差率和穩(wěn)健性,。

圖3，TPS62300參考電壓放大器

　?。▓D3）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(xiàn)帶有負反饋的線性系統(tǒng)，帶隙緩沖放大器需用低于V_REF （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V_REF,，則V_REF允許電流通過R ₁ 和R ₂ 的另一循環(huán)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(nèi)部參考電壓（V_REF）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(lián)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(xiàn)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(nèi)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(xiàn)動態(tài)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
　?。▓D5）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(tài)電壓管理的應用電路

　　10位D/A轉(zhuǎn)換器DAC6571采用小型6引腳SOT23封裝。該設備是TI單通道D/A轉(zhuǎn)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(chǎn)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(tǒng)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(wěn)壓電源，本例為2.85V,。該電源電壓可由另一系統(tǒng)軌得出,。D/A轉(zhuǎn)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(diào),。
　　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(jù)表1（設置默認輸出電壓）中給出的方程式計算得出,。
　　● DAC控制的輸出電壓：
　　在此模式下,，D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓應高于0.45V，以利用“超越”功能,。在此模式下,，核心電壓可根據(jù)表1（MOS1高阻抗）中給出的方程式計算得出,。

表1，總結了電源轉(zhuǎn)換器的操作：

　　DAC6571的輸出電壓計算如下：
 
　　D：二進制代碼的十進制等效值,，加載到DAC寄存器中,，其范圍可從0到1023。
　　VDD：DAC電源電壓
　　DAC控制模式中的核心電壓V _OUT 可按如下公式計算：
　　
　　DC動力系放大 APT 典型值= 1.5
　?。▓D6）顯示了V _DAC （DAC 輸出電壓）與 V _OUT （核心電壓）,，其取決于 DAC 編程值。

圖6,，VDAC 和 VOUT 電壓以及 DAC 值對照

　　在此應用中,，我們選擇了1.3V的默認核心電壓。因此,，R1 和 R2 必需的電阻器值應為：
　　R1：9.5k  R2：8.2k
（圖 7）顯示了上電過程中的默認核心電壓調(diào)節(jié),。TPS62300 為 3.9Ω的電阻性負載供電，這就在  1.3V 默認輸出電壓上形成 330mA 的負載電流,。在（圖7） 中,，DC/DC 轉(zhuǎn)換器的啟動引腳 （EN） 與 V_IN 一起驅(qū)動升高。核心電壓以最小延遲進行斜坡上升,。不過,，新型處理器可生成控制信號來自行啟動外部核心電源電路。在這種情況下,，處理器將控制TPS62300的啟動引腳,。

圖7，默認核心電壓VOUT在上電時設為1.3V

　　核心電壓呈斜坡狀上升至其系統(tǒng)設定值而處理器工作后,，核心電壓可進行動態(tài)調(diào)節(jié),。為了降低功耗并延長電池使用壽命，處理器時鐘與核心電壓可調(diào)節(jié)至最佳,。

　　結論
　　動態(tài)電壓管理解決方案能夠支持現(xiàn)有及下一代處理器內(nèi)核所要求的,、快速而準確的電壓縮放。我們可通過 I²C 串行接口進行控制,，該接口是用于此目的的通用接口,。TPS62300 與 DAC6571 的小型封裝以及較少的外部組件數(shù)實現(xiàn)了超小型的解決方案尺寸。TPS62300 擁有出眾的負載與線路瞬態(tài)性能,，這使該器件理想適用于新一代處理器的核心電源,。