动态控制开关稳压器的输出电压

随着半导体行业遵循摩尔定律不断发展,处理器对电源的需求也正以惊人的速率在增长。在电源管理至关重要的电池供电应用中,处理器会根据时钟速率的增加或减少,调节其相应的内核工作电压,从而在需要高速处理的时候全功率供电,在处理器空闲的时候避免浪费剩余功率。但是,为处理器寻找有控制输出电压功能的开关稳压器集成电路(IC)是很困难的,而且价格通常比普通的开关稳压器高很多。图1所示的电路是为嵌入式处理器供电的经济有效的解决方案,该方案采用了简单的降压式开关稳压器,处理器BF531通过低成本数字电位器AD5258,设置降压式开关稳压器ADP3051的输出电压。

图1 嵌入式处理器BF531的供电电路

在该电路中,启动VDDINT引脚电压=(5kΩ+10kΩ)×0.8V/10kΩ= 1.2V,AD5258从5kΩ开始;最小的VDDINT引脚电压=0.8V;最大的VDDINT引脚电压=(5kΩ+10kΩ)× 0.8V/10kΩ+10%过冲裕量=1.2V +10%过冲裕量=1.32V。

ADP3051是一种能提供500mA电流、输出电压低至0.8V的电流模式、脉宽调制(PWM)降压式开关稳压器。其输出电压用一个电阻分压器设置,该分压器的高端接到输出端,低端接到地,中心点接到反馈引脚。当调节输出电压时,ADP3051将反馈引脚保持在恒定的0.8V参考电压,因此将输出电压设置成分压比的倒数与参考电压的乘积。在本设计中,分压器的低端电阻是10kΩ,高端由数字电位器AD5258设置。AD5258有64个分点,用I2C接口改变其滑动端设置。ADSP-BF531 Blackfin嵌入式处理器根据其功耗的需求,通过I2C接口调节AD5258的滑动端设置。这样通过改变AD5258的滑动端设置来改变ADP3051输出电压,允许Blackfin处理器按照要求调节其内核电压。

满足嵌入式处理器的多种要求是本设计中最困难的部分。ADSP-BF531要求在具有50mV分辨率的0.8～1.2V电压范围内,使内核电压的精度达到25mV之内。还有,该嵌入式处理器必须在1.2V启动以初始化其时钟。而且,还要有硬件保护防止输出电压超过1.2V,防止软件错误发生。此外,制造商和市场都要求将成本和印制电路板(PCB)面积比现有解决方案减小一半。

数字电位器虽然能精确地设置其内置电阻器比率,但是通常其绝对电阻值的误差很大。这里AD5258不用于设置电阻器的比率,而是将其内置电阻器与外部电阻器相连一起来设置输出电压。这通常这会导致系统精度降低,但使用AD5258的非易失性存储器存储其绝对电阻值,可以解决这个问题。ADSP-BF531通过I2C端口读取这个有允许误差的电阻值,并用简单的算法调节ADP3051输出电压以提高精度。图2是通过示波器观察到的ADP3051的输出电压波形。该图显示了输入电压Vin为3V,输出电压Vout从0.8V增加到1.2V,输出电流Iout为500mA,过冲电压大约为60mV。数字电位器为 5kΩ,而且低端的反馈电阻器是10kΩ。

图2 ADP3051的输出电压波形

AD5258非易失性存储器的另一优点是能够以任意电阻比值启动AD5258。AD5258的校正设置已存入非易失性存储器中,能够在1.2V启动ADP3051的输出电压,以便初始化时钟。使用AD5258和外部电阻器提供硬件保护,防止输出电压超过1.2V。如果AD5258设置为0电阻值,那么输出电压应为0.8V×(0Ω+10kΩ)/10kΩ= 0.8V;如果将它设置为最大阻值5kΩ,那么输出电压应为0.8V×(5kΩ+ 10kΩ)/10kΩ=1.2V。如果该嵌入式处理器通过I2C端口控制AD5258,使内核电压从0.8V增加到1.2V,那么输出电压会在40μs内保持单调性增加。