微處理器電源

當今采用先進(jìn)技術(shù)的電子產(chǎn)品，依賴(lài)于微處理器和FPGA。微處理器和FPGA需要多電源軌(圖1)。
 
圖1 微處理器的多軌系統 
在多軌電源系統設計中，上電時(shí)序和功耗是兩個(gè)關(guān)鍵考慮的因素。

上電時(shí)序

微處理器多軌電源系統中，上電時(shí)序是關(guān)鍵。這是因為它可導致系統閉鎖和啟動(dòng)過(guò)程中斷。閉鎖是在電子元件的電源軌之間低阻抗通路無(wú)意中生成的，它觸發(fā)寄生結構，這相當于短路。例如，在微處理器中，假若VI/O在Vcore之前到來(lái)或在Vcore躍降前VI/O關(guān)閉，都會(huì )產(chǎn)生閉鎖條件。上電過(guò)程的精心排序是避免閉鎖的唯一方法。按序加電軌，設計人員也可以限制前端電源的瞬時(shí)功率要求，使解扣達到電源限制閾值的風(fēng)險減少。

上電浪涌(POS)或起動(dòng)電流是FPGA首次上電所吸進(jìn)的電流。POS是當今FPGA結構的固有影響，POS不能消除，只可以控制。

在起動(dòng)和初始化完成前，FPGA的單元都隨機地處于爭用狀態(tài)。在電源軌達到0.6V~0.8V時(shí)，這種低阻抗狀態(tài)產(chǎn)生一個(gè)電流浪涌。同時(shí)，電源軌也必須充電與每個(gè)FPGA單元有關(guān)的固有電容，并對去耦(旁路)電容器(其值為幾百微法)充電。

這種浪涌電流是由電容器(I=cdv/dt)和FPGA起動(dòng)電流組成，它往往比穩態(tài)電流大很多。然而，若輸入電壓慢速上升，則可大大降低電容充電電流。

與控制電流上升速度無(wú)關(guān)的其他重要參量是工作溫度。例如，Xilinx的Spartan II FPGA器件，在0℃時(shí)POS標定為500mA，在低于0℃時(shí)，所標定的POS上升到2A。
在大多數微處理器和FPGA的電源設計中，其輸入電壓大于芯核和I/O所需求的電壓，所以必須降壓。一般用于降低輸入電壓，并能實(shí)現軟啟動(dòng)的拓撲是線(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)電源。

功耗

電源的絕對功耗比較效率更重要，因為它為設計師指明密度和板上熱點(diǎn)數。電源的可靠性直接與元件和板本身的溫度分布有關(guān)。通常，電源穩壓器封裝在標準封裝(如TO220)中。這種封裝具有熱阻。假定環(huán)境溫度為45℃，功耗為1W，則TO220封裝將達到105℃溫度。此時(shí)，明顯的選擇是用散熱器，但這不適合于很多緊湊設計。

有兩種基本的變換器拓撲可供選擇。通常，線(xiàn)性拓撲比開(kāi)關(guān)穩壓器優(yōu)越，如果整個(gè)系統效率或熱管理不是重要的問(wèn)題，則應選擇線(xiàn)性拓撲。數字電源軌相對不受開(kāi)關(guān)噪聲影響，因此比較適合于開(kāi)關(guān)電源變換器。相反，模擬電源軌對噪聲高度敏感，因此，通常需要線(xiàn)性穩壓器。線(xiàn)性穩壓器的頻率響應和噪聲性能優(yōu)于開(kāi)關(guān)穩壓器，這是由于輸出晶體管的高頻特性所致。而線(xiàn)性穩壓器的效率是相當低的。而且需要外部元件來(lái)實(shí)現軟啟動(dòng)。當然，有不同類(lèi)型線(xiàn)性穩壓器，應選擇適合微處理器和FPGA應用的。例如，需要電壓軌小于1V，FPGA通常需要2.5V和1.8V軌，而低壓降穩壓器(LDO)適合這些應用。

表1給出圖1多軌系統中所用變換器的功耗和功率考慮。
 

軟啟動(dòng)

保證微處理器和FPGA能成功和重復上電的實(shí)用方法是軟啟動(dòng)，軟啟動(dòng)法也能處理時(shí)序要求和限制前端電源的瞬態(tài)到可接受的水平。

線(xiàn)性穩壓器會(huì )在啟動(dòng)之后非常短的時(shí)間內提供一個(gè)穩定的輸出軌。但是，假若處理器或FPGA在啟動(dòng)期間，力圖獲得比線(xiàn)性穩壓器給出的更多電流，則電壓軌將下降。這就是為什么在用線(xiàn)性穩壓器時(shí)，實(shí)現軟啟動(dòng)功能需要外加的外部電路(圖2)。
 
圖2 軟啟動(dòng)實(shí)現電路

用開(kāi)關(guān)穩壓器供電微處理器和FPGA的最大優(yōu)點(diǎn)是效率和容易實(shí)現軟啟動(dòng)功能。絕大多數專(zhuān)用降壓變換開(kāi)關(guān)穩壓器，都有一個(gè)專(zhuān)用軟啟動(dòng)引腳，內置軟啟動(dòng)功能。通過(guò)連接到軟啟動(dòng)引腳的電容器，使能開(kāi)關(guān)穩壓器中的軟啟動(dòng)功能。此電容器決定器件中的電流源達到最大電壓電平的時(shí)間。

用PMU為應用處理器供電

當今應用處理器需要分開(kāi)的電源為芯核、I/O、存儲器和外設供電。應用處理器需要多電源電壓，用芯核電源管理器和系統結構可使這些電源電壓最佳化。靈活的PMU(電源管理單元，如NS公司的LP3971PMU)，能滿(mǎn)足應用處理器寬范圍的要求。LP3971PMU有5個(gè)低壓降穩壓器(LDO)和3個(gè)降壓穩壓器(BUCK)，它與應用處理器的連接圖示于圖3。圖3中的LDO直接連接鋰離子電池。對于圖3這種配置LDO5的效率為：
 
圖3 LDOs直接連接到主電池

 圖4 LDOs直接連接到VCC-MEM

效率(%)=((Vout×Iout)/Vin×(Iout+Iq))×100
對于40mA的Iq與400mA的Iout相比是非常小的，可忽略不計，因此，上式變?yōu)椋?br /> 效率(%)=((Vout)/(Vin) )×100
對于Vin=4.2V和Vout=1.5V，LDO效率