DSP處理器電源設計

　　設計人員在選擇DSP電源時(shí)首先需選定穩壓器的類(lèi)型。穩壓器可分為兩大類(lèi)，即線(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)穩壓器。由于采用了由一個(gè)導通元件和一個(gè)誤差放大器組成的簡(jiǎn)單拓撲結構，線(xiàn)性穩壓器易于使用。線(xiàn)性穩壓器的主要優(yōu)點(diǎn)是，由于通常環(huán)路帶寬較高，輸出噪聲低且瞬態(tài)性能較好，主要缺點(diǎn)是在大負載和在輸入和輸出之間壓差較大時(shí)效率低。線(xiàn)性穩壓器功耗的計算公式為：

　　輸入電壓通常為5V或3.3V，輸出電壓則降至1.0V至1.2V。這個(gè)電壓差乘以5A或更大的負載電流，可能產(chǎn)生超出線(xiàn)性穩壓器承受能力的功耗。因此，處理器電源通常選用開(kāi)關(guān)穩壓器。開(kāi)關(guān)穩壓器使用電感和電容來(lái)存儲和傳輸從輸入到輸出的能量。由于導通元件并非常通并一直向輸出端傳輸功率，這種結構的效率高于線(xiàn)性穩壓器。開(kāi)關(guān)穩壓器可采用脈沖頻率調制(PFM)和脈沖寬度調制(PWM)。PFM型開(kāi)關(guān)穩壓器的優(yōu)點(diǎn)是輕載效率高，由于DSP頻繁轉進(jìn)/轉出低功耗模式，這是一項非常重要的特性。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是，由于在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)有大量的電流傳送到輸出端，其噪聲通常高于PWM穩壓器。通過(guò)在輸出端額外添加電容可降低這個(gè)噪聲。PWM穩壓器工作在一個(gè)固定的頻率，通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)保持正確的輸出電壓。一般來(lái)說(shuō)，PWM穩壓器的優(yōu)點(diǎn)是，當在較高頻率運行時(shí)，噪音低且使用的元件較小。不過(guò)，它們確實(shí)有輕載效率低的缺點(diǎn)，對于在低功耗模式下運行的處理器，這個(gè)缺點(diǎn)可能會(huì )帶來(lái)問(wèn)題。

　　在任何DSP處理器的數據手冊中，電源電壓容差都是一項重要的指標。對于給處理器供電的電源，必須滿(mǎn)足的要求是永遠不降到這個(gè)指標之外。要滿(mǎn)足這個(gè)指標，電源面臨著(zhù)許多必須克服的挑戰，因而，在選擇電源時(shí)需要仔細考慮各種因素。電源的輸出電壓精度在這個(gè)容差中占有很大一部分。例如，一款典型的DSP處理器可能要求1.2V的內核電壓和1.8V的I/O電源電壓，容差均為5%。如果電源的過(guò)熱輸出精度為2%，那么，設計師只有3%的裕量來(lái)克服其它障礙。幸運的是，電源的輸入電壓是相對穩定的，借助于良好的去耦電容布局，設計人員不必擔心線(xiàn)穩壓指標。但是，設計人員必須關(guān)注負載穩壓指標，因為DSP處理器需承受多重負載并需進(jìn)出低功耗模式。典型的負載穩壓指標可能在0.2%到0.5%之間，是電源總容差的重要組成部分。

　　最后，負載變化將不但會(huì )影響穩壓，而且由于其快速變化的動(dòng)態(tài)特性，將給電源帶來(lái)幅度大且速度快的負載暫態(tài)。要在這些動(dòng)態(tài)暫態(tài)過(guò)程中保持輸出電壓，電源做出的反應必須足夠快且強烈。大容量的輸出電容有助于緩解電壓下降，但這個(gè)功率大部分將來(lái)自電源的環(huán)路帶寬和增益。電源的環(huán)路帶寬決定了電源對負載變化做出反應的速度有多快，而增益決定了反應的強度。圖1表明，當容差為5%時(shí)，負載穩壓和電源精度已經(jīng)用去了2.2%，只為電源留下33mV來(lái)應付處理器可能承受的任何暫態(tài)。在為DSP選擇電源時(shí)，設計人員需要密切關(guān)注這些指標和電源的負載暫態(tài)行為。

　　圖1： DSP處理器的電壓容差。

　　人們常常低估電源良好布局的重要性，但事實(shí)上，它可以對滿(mǎn)足總的電源容差要求起到很大作用。正確放置去耦電容可以幫助降低噪聲和串擾，這對開(kāi)關(guān)穩壓器尤為重要。把開(kāi)關(guān)穩壓器的輸入電容放在接近輸入引腳的地方可大幅度減小輸入電源中的偏差。這反過(guò)來(lái)可減小線(xiàn)暫態(tài)的影響并可把輸出偏差減小0.2%到0.5%?？紤]到大多數DSP的電壓容差為5%，這是一個(gè)不小的量。應把去耦電容和電感放在靠近該器件的地方以減小電流環(huán)。

　　在開(kāi)關(guān)穩壓器中，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)是電壓在近似地電壓到輸入電壓之間切換的高頻節點(diǎn)。布局不當可導致開(kāi)關(guān)節點(diǎn)與系統中的其它信號相互干擾。圖2顯示了一個(gè)正確的開(kāi)關(guān)穩壓器布局，電流環(huán)小并靠近穩壓器。紅色連線(xiàn)是大功率和開(kāi)關(guān)連接，必須在物理上靠近該器件以盡量減小噪聲和串擾。藍色連線(xiàn)是噪聲敏感的連接，布線(xiàn)時(shí)應遠離開(kāi)關(guān)節點(diǎn)。在外部元件中，CIN和COUT應放在最靠近該器件的地方。

　　圖2：開(kāi)關(guān)穩壓器的布局考慮。

　　Micrel公司的MIC22950提供了一種為DSP處理器內核供電的理想解決方案。大多數DSP制造商認為DSP電源應提供內核最大耗流(計算值)兩倍的電流，MIC22950具有10A的電流輸出能力，可避免發(fā)生供流能力不足的情況。圖3給出了MIC22950的框圖。MIC22950的一個(gè)重要特性是帶有用于解決浪涌電流問(wèn)題的斜度控制(RC)功能。電容上電流的計算公式為：

　　其中C是電容，ΔV是電容兩端的電壓，ΔT是時(shí)間?？梢酝ㄟ^(guò)控制輸入電壓的時(shí)間斜度來(lái)控制浪涌電流。通過(guò)聯(lián)合使用RC引腳和上電復位(POR)引腳，MIC22950可以解決在DSP處理器中的排序問(wèn)題。DSP數據手冊中包含電源接通和關(guān)斷的排序信息。通過(guò)聯(lián)合使用RC引腳和POR引腳，設計人員可以實(shí)現加窗排序、延時(shí)排序和按比例排序。