通過(guò)調節穩壓器優(yōu)化 DSP 功率預算

系統級節電與功率預算優(yōu)化是許多應用的關(guān)鍵。例如，數據中心運營(yíng)商努力控制能耗，便攜式設備設計人員力圖降低流耗實(shí)現更長(cháng)的電池使用壽命，而通信系統則需要降低工作溫度提高穩定性。電源設計主要規范的當前著(zhù)眼點(diǎn)是：1）在整個(gè)負載電流范圍內最大限度提高效率；和 2) 根據負載需要自適應縮放輸出電壓。

使用電壓識別 (VID) 調節輸出電壓是滿(mǎn)足這些需求的方法之一。當然，在英特爾和 AMD 提供的眾所周知的自適應電壓縮放 (AVS) 規范基礎上，VID 可編程性已經(jīng)在微處理器應用的 DC/DC 內核電壓穩壓器中得到了廣泛使用。然而，這些 VID 控制器建立在多相位降壓拓撲基礎之上，在特性上專(zhuān)門(mén)圍繞超大電流需求進(jìn)行了定制。

DSP、FPGA 以及 ASIC 現在具有類(lèi)似的功能，可根據器件活動(dòng)、電源及時(shí)鐘域配置、工作模式以及工作溫度，實(shí)現最大限度的功耗降低。雖然支持 VID^[1]的數字化脈寬調制器 (PWM) 控制器解決方案可用來(lái)滿(mǎn)足這一需求，但確實(shí)也需要對無(wú)處不在地模擬控制負載點(diǎn) (POL) 穩壓器進(jìn)行輸出電壓數字化調節。在調節過(guò)程中，可輕松調整模擬電源實(shí)施（或許已經(jīng)完成設計或已經(jīng)通過(guò)測試臺測試），滿(mǎn)足其它方案無(wú)法實(shí)現的系統級功率預算與成本目標要求。

數字輸出電壓調節

鑒于上述設計目標中的優(yōu)勢利益，TI 現在提供一款 VID 編程器^[2]作為專(zhuān)用標準產(chǎn)品 (ATSP)。圖1是用于補充模擬型 POL DC/DC 解決方案的LM10011，其包含高精度數字可編程電流數模轉換器 (IDAC)，支持模式可選 4 位及 6 位 VID 接口。IDAC_OUT 引腳的精確 DC 電流與 4 位或 6 位數字輸入字成比例，可輸入到輸出穩壓環(huán)路的反饋 (FB) 節點(diǎn)。隨著(zhù)輸入字的累加，IDAC_OUT 電流可降低，從而可根據穩壓器反饋電阻器調高輸出電壓設置點(diǎn)。FB 節點(diǎn)一般由模擬控制環(huán)路的誤差放大器保持在恒定電壓下。

圖1：常規POL穩壓器與電流DAC配對，構成6位數字VID接口

該實(shí)施過(guò)程中最為重要的是 VID 解決方案與模擬 POL 穩壓器設計方案的兼容性。POL 可有效部署為 DSP 的從設備。根據設計，該 IDAC 解決方案可幫助 DSP 及其它數字負載實(shí)現其全面的節電性能，降低功耗，例如在通信基礎設施應用中。實(shí)際上，該款 VID 解決方案主要用于與任何 POL 穩壓器一起工作，調節 KeyStone? 多核 DSP^[3]等支持 VID 功能的處理器的內核電壓 (VCORE)。

DSP內核電源

圖 2 是同步降壓 POL 穩壓器提供的、具有內核電壓 CVDD 的多核 DSP 原理圖。電源級包括 15A 電壓模式穩壓器、560nH 電感器以及陶瓷輸入輸出濾波器電容器^[2]。來(lái)自 DSP 的 6 位 VID 命令有助于根據 DSP 性能要求的不斷變化調節輸出電壓 V_OUT。

圖2：使用可調節性受VID控制的同步降壓穩壓器為支持內核電壓軌的多核DSP/SoC平臺供電

根據圖2所示的系統實(shí)施方案，具體控制方案針對 6 位 VID 使用了 4 線(xiàn) (VCNTL) 接口，從而可在 VID 工作中實(shí)現更高的分辨率或精細粒度。IDAC_OUT 電流具有 59.2μA 的最大滿(mǎn)量程范圍 (VID[5:0] = 000000b = code 0)。在 6 位模式下，這可提供分辨率為 940nA 的 64 種設置以及優(yōu)于 1% 的誤差精度。

輸出電壓由 DSP 判定為電壓介于 0.7V 至 1.103V 之間的電平。這相當于 V_OUT調節分辨率為 403mV/63 或 6.4mV。壓擺限制可防止輸出發(fā)生突變。而 VID 的抗尖峰脈沖濾波器則可提供噪聲抗擾度（實(shí)際上是在 VID 線(xiàn)路的轉換與 IDAC_OUT 電流的后續變化之間添加一個(gè)小小的延遲）。在接收到 VID 命令之前的啟動(dòng)過(guò)程中，IDAC_OUT 電流可根據 R_SET值，假設為 16 個(gè)分立電平之一。這允許 DSP 的內核電壓在各種電平下上電，實(shí)現更高的系統靈活性與可靠性。

但值得注意的是具體的 DSP 可能無(wú)法支持所有的電壓或范圍。例如對 KeyStone I DSP 而言，預期工作范圍在代碼 31 和 50 之間（0.905V 至 1.020V）^[4]。圖2中LM10011的電源電壓來(lái)自輸入總線(xiàn)。另一種選項是使用 PWM 控制器提供的、或系統中其它地方（如果有）提供的額定 3.3V 或 5V 偏置電壓軌。無(wú)需在 DSP 和電流 DAC 之間使用電平轉換器或膠合邏輯。

圖 3 是有關(guān) VID 接口及相關(guān)定時(shí)細節更加詳細的說(shuō)明。VCNTL[2:0] 可為每個(gè) VID 代碼承載兩位數據。處于低或高電平的 VID 分別可用來(lái)選擇較低及較高的數位，而處于高電平的 VIDS 也可鎖存 VID 命令，從而可使用 40μs 時(shí)間常數初始化 IDAC_OUT 的電流變化。因此每次電壓調整都要求從 DSP 到控制器的兩次對頭拼接的訪(fǎng)問(wèn)。第一次訪(fǎng)問(wèn)寫(xiě)入較低的三位，第二次訪(fǎng)問(wèn)寫(xiě)入較高的三位。

圖3：6位模式VID通信定時(shí)圖

使用 VID GUI 軟件^[5]可記錄啟動(dòng)時(shí)輸出電壓波形和跟隨高、低 VID 轉換的瞬態(tài)響應，如圖4所示。輸入電壓為 5.3V。和預想的一樣，輸出電壓轉換發(fā)生在 VIDS 信號的上升沿。

圖4：a)單調啟動(dòng)到預設值；b)跟隨VID轉換31 dec-50dec-31dec的輸出電壓。

總結

本文中我們簡(jiǎn)單淺顯地探討了與 DSP 功率預算優(yōu)化有關(guān)的種種挑戰，介紹了一種通過(guò) VID 接口來(lái)使用低成本模擬 POL 控制器的簡(jiǎn)單方法。文中包括主要的設計注意事項與電路實(shí)施。這種方法復雜性低，簡(jiǎn)單易用，適用于功率及 BOM 優(yōu)化的應用，可充分滿(mǎn)足其隨時(shí)存在的上市時(shí)間及成本限制需求。簡(jiǎn)單、準確和低成本是重要的設計指標。

參考資料

1. 了解有關(guān)LM92x 數字電源控制器的更多詳情；
2. LM10011 VID 編程器；
3. 觀(guān)看本視頻，深入了解第一個(gè) VID 編程器；
4. 進(jìn)一步了解支持 SmartReflex 的 KeyStone 多核 DSP SoC；
5. 下載KeyStone I 器件的硬件設計指南；
6. 下載LM10011 GUI 設計工具軟件。