基于小型高频降压转换器的动态电压管理

随着手机与其他便携式电子设备变得日益先进，处于工作与待机状态的系统消耗的电量也越来越大。因此，便携式设备的电源管理设计在核心电压、能量管理以及电池使用寿命等方面面临着新的挑战。

硬件设计人员已经开始采用先进的高集成度电源管理器件，其具备核心电压缩放及各种稳压器，可为其他轨提供电力（如存储器、I/O等）。不过这些复杂的解决方案不一定能为系统设计人员提供足够的灵活性。

本文将在TI第一代高频降压转换器的基础上，概括性地介绍解决动态电压管理问题的一种创新方法。

系统概览

针对便携式应用的现代处理器大部分都有着集成的I2C接口，连接至外部电源管理单元。（图1）显示了生成自适应核心电源的可选解决方案。处理器核心消耗的功率与工作频率以及VCORE2成正比。

图1，自适应电压缩放系统概览

基于 TPS62300 （3MHz同步降压转换器）和 DAC6571（10位数模转换器）的双芯片解决方案将高准确度和超小电压步进结合在了一起。

根据处理器的工作频率，核心电压可非常准确地动态调节至较低限值，从而最小化功耗。使用该原则不仅可降低活动模式下的功耗，还可通过减少深度睡眠模式下的漏电流来延长待机时间。

核心电压的中心

德州仪器（TI）近期发布了TPS62300，它是新一代高频降压转换器的旗舰产品，工作在3MHz的交换频率上。先进的求和比较器电压模式控制拓扑提升了稳压性能的新层次。最佳的瞬态响应和输出电压准确度可满足现代核心所要求的最严格电压规范。

TPS62300 可与低至 1.0uH的电感以及低至4.7礔的输出电容共同工作，这就可以使用微型低成本的芯片电感。该器件还采用芯片级小型封装（2mm x 1mm x 0.65mm），从而在小巧外观解决方案的尺寸成为关键因素时，能够满足移动电话制造商的需求。


方便的动态电压缩放

图2显示了简化的TPS62300块示意图。其目的在于说明器件的增益架构和控制回路设计。我们注意到，其不同于传统稳压器的一个地方是输出电压的设置方式。

图2，TPS62300简化的结构示意图

就传统而言，参考电压作用于故障放大器的正极，我们通过传感输出电压并通过外部电阻器将其拆分为参考电压，从而对所需的输出电压进行编程。

TPS62300通过内部低功率低偏移运算放大器和外部电阻器编程放大参考电压（VREF = 400mV）至所需输出电压的三分之二，从而生成输出电压。该电压成为“动力系”的参考，其DC封闭回路增益（APT）为1.5。

功率放大器中的固定封闭回路增益不仅提供不变的“小信号”瞬变响应（不管编程输出电压如何），而且在L/C组合方面还实现了很严格的稳压误差率和稳健性。

图3，TPS62300参考电压放大器

（图3）详细给出了用于放大带隙参考电压的运算放大器的实施情况。该低偏移运算放大器可视为一个带有A类输出级的理想放大器，其特点是能够提供电流，但不会吸收电流。

为了实现带有负反馈的线性系统，带隙缓冲放大器需用低于VREF （400mV）的DAC电压操作。只有这样电流才能流出ADJ引脚，并通过R1和R2电阻器流向GND。

假定DAC电压高于VREF，则VREF允许电流通过R 1 和R 2 的另一循环进入ADJ引脚。由于运算放大器输出级（MOS1）只能提供电流，因此它不能再以线性模式工作。在这种情况下，用于电压跟随器配置的MOS1晶体管阻抗很高。实际上，为了“越过”ADJ电压，我们只需将FB电压保持高于内部参考电压（VREF）即可。

如果DAC电压高于ADJ，参考进入ADJ引脚的电阻，则应考虑配备外部默认电压设置电阻器R 1 和R 2 （1M ±30%）。

事实上，R1和R2串联和进入ADJ引脚的电阻形成了分压器。为了在温度、线路和负载差异情况下实现误差不超过1%的DC准确度，我们建议R 1 + R 2 的阻值在 20k 的范围内选择。

（图4）显示了TPS62300输出电压响应和DAC电压的关系。为了实现动态电压管理应用的最佳性能，我们建议工作时的DAC电压高于450mV。

图4，输出电压和DAC控制电压的关系

I2C控制的自适应电压缩放
（图5）显示了基于TPS62300和DAC6571的电路实施。TPS62300可提供高达500mA的输出电流和低至0.6V的输出电压。

图5，动态电压管理的应用电路

10位D/A转换器DAC6571采用小型6引脚SOT23封装。该设备是TI单通道D/A转换器系列DAC7571/6571/5571的一部分，可提供12/10/8位的解析度。上述产品集成了一个I2C接口，可支持标准/快速模式（最大400 kbps）和高速模式（最大3.4 Mbps）。上电时，集成的重置上电电路系统将输出电压设置为0V。

在此应用中，TPS62 300直接由单个锂离子电池供电。DAC6571采用稳压电源，本例为2.85V。该电源电压可由另一系统轨得出。D/A转换器的架构建立在R/2R电阻器串的基础之上，由设计指定为单调。

就核心电源电压而言，我们需要考虑两种不同的操作模式：

● 默认输出电压：
该电压在启动时DAC重置上电后有效。只要DAC未通过I2C接口编程，其输出电压将保持在0V。在此阶段，核心电压可由电阻器R1和R2根据表1（设置默认输出电压）中给出的方程式计算得出。

● DAC控制的输出电压：
在此模式下，D/A转换器输出电压应高于0.45V，以利用“超越”功能。在此模式下，核心电压可根据表1（MOS1高阻抗）中给出的方程式计算得出。

表1，总结了电源转换器的操作：

DAC6571的输出电压计算如下：


D：二进制代码的十进制等效值，加载到DAC寄存器中，其范围可从0到1023。
VDD：DAC电源电压
DAC控制模式中的核心电压V OUT 可按如下公式计算：


DC动力系放大 APT 典型值= 1.5
（图6）显示了V DAC （DAC 输出电压）与 V OUT （核心电压），其取决于 DAC 编程值。

图6，VDAC 和 VOUT 电压以及 DAC 值对照

在此应用中，我们选择了1.3V的默认核心电压。因此，R1 和 R2 必需的电阻器值应为：
R1：9.5k R2：8.2k

（图 7）显示了上电过程中的默认核心电压调节。TPS62300 为 3.9Ω的电阻性负载供电，这就在 1.3V 默认输出电压上形成 330mA 的负载电流。在（图7） 中，DC/DC 转换器的启动引脚 （EN） 与 VIN 一起驱动升高。核心电压以最小延迟进行斜坡上升。不过，新型处理器可生成控制信号来自行启动外部核心电源电路。在这种情况下，处理器将控制TPS62300的启动引脚。

图7，默认核心电压VOUT在上电时设为1.3V

核心电压呈斜坡状上升至其系统设定值而处理器工作后，核心电压可进行动态调节。为了降低功耗并延长电池使用寿命，处理器时钟与核心电压可调节至最佳。

结论

动态电压管理解决方案能够支持现有及下一代处理器内核所要求的、快速而准确的电压缩放。我们可通过 I2C 串行接口进行控制，该接口是用于此目的的通用接口。TPS62300 与 DAC6571 的小型封装以及较少的外部组件数实现了超小型的解决方案尺寸。TPS62300 拥有出众的负载与线路瞬态性能，这使该器件理想适用于新一代处理器的核心电源。