微处理器内核电压的调整方法及电压转变时间设定

优化电子产品微处理器电源管理对延长电池使用时间十分重要，MAX1586A、MAX1586B和MAX1587A系列电源管理器件针对X-Scale微处理器进行了优化，利用简单的外围线路就可调高CPU内核电压以达到CPU对于输出电压的要求，适合更高工作频率的CPU。本文对CPU内核电压转变时间控制、调高输出电压的方式以及改变后CPU内核电压转变时间的变化进行了详细推导。

随着PDA/智能电话体积的缩小和更长电池使用时间的要求，电源管理成为达到这些设计目标的关键因素。电源管理控制器包含多组直流电源转换器、稳压器、电压检测器及控制接口，使用集成电源管理控制器可以节省控制器本身、外围元件占用的空间和成本，提高电源转换效率并适时地关闭或调整输出电压，进而达到更长的电池使用时间。利用集成电源控制器还可以简化设计，降低研发风险、缩短产品的上市时间。

集成电源管理控制器

美信集成产品公司推出一系列小型电源管理IC-MAX1586A、MAX1586B和MAX1587A，该系列器件适用于采用X-Scale微处理器的产品。 其中MAX1586和MAX1587提供1MHz同步整流的高性能降压转换，因而不必使用外接二极管，可降低成本并减小产品尺寸。该系列IC可提供对7种高性能低电流电源的监控和管理功能，其DC-DC I/O电源可预置为3.3V或3V，也可调整为其它值，电流能高达1.3A。

MAX1586A和MAX1587A对DRAM电源可预置为1.8V或2.5V，MAX1586B DRAM电源可预置为3.3V或2.5V，电流达900mA，器件的DRAM电压也能通过外部电阻进行调整。该电源管理IC对CPU供电可实现连续可编程的动态电压管理，电流可达500mA。此外，线性调整的输出能够管理SRAM、PLL及USIM供电。

图1所示为MAX1586集成电源管理控制器，该控制器包含了三组直流电源转换器(PWM REG1、2、3)、三组稳压器(LDO REG4、5、6)、两组电压检测器、串行端口控制接口。图1中第一组转换器(PWM REG1)主要用于外围接口供电，预设输出电压3.3V、3.0V或由分压电阻调节，最大输出电流1.3A，可供给内部处理器、控制器外围接口或是CF适配卡、SD适配卡等外围电路；第二组转换器(PWM REG2)主要用于内存供电，预设输出电压2.5V、1.8V或由分压电阻调节，最大输出电流0.9A。这两组转换器内部各有一个并联的稳压器，当输出负载很小时，可以关闭DC-DC转换器，改由稳压器输出，以减少控制器的工作电流，进而提高转换效率。

新一代中央处理器为求更省电，内核电源采用动态电压调整，MAX1586第三组电源转换器(PWM REG3)用来供给CPU内核电源，其输出电压可通过串口控制，输出范围可由0.7V调至1.475V，当CPU工作在不同模式时，所需内核电压也不同，例如在全速运行时需要1.3V，当进入省电模式时工作频率下降，可能只需要1.0V的供电电压，通过动态调整CPU的运行速度及内核电压，进而达到更省电的要求。每次调整输出电压时，输出电压转变时间由RAMP引脚外接电容决定，选择适当的电容器以符合CPU对于内核电压动态转换的要求。

内核电压转变时间的设定

当由串口控制调整输出电压时，内部DAC输出电压也随之改变，DAC输出通过100KΩ连接至RAMP引脚，而RAMP引脚外接一个电容，在MAX1586设计中第三组直流电源转换器(PWM REG3)输出电压反馈点FB3的电压V_FB3和RAMP引脚电压V_RAMP成正比，可得下式：

V_FB3=A×V_RAMP，其中A=1.28。

因DAC输出电压改变，RAMP引脚电压V_RAMP按照电阻、电容决定的充放电时间而变化：

Eq1

其中C_RAMP为RAMP引脚外接电容的容量，ΔV为电压变化量。以1.3V切换至1.0V，C_RAMP=330pF、1500pF、3300pF为例，可以得到图2所示结果。

利用一个简单的近似方法可以快速得到转变时间：2.2倍时间常数约等于输出电压从10%变化至90%所需时间，以C_RAMP=1500pF为例,时间常数τ=100KΩ×C_RAMP=150μs。因而得到输出电压转变所需时间约为330us，如输出电压从1.0V变化至1.3V，也就是输出电压变化斜率为1mV/us。

调高中央处理器核电压

当CPU工作频率愈高，所需核心电压也愈高，当所需最高电压高于原来的最大值1.475V时，简单地修改外围电路就可将输出电压调至所需电压。下面给出了调高比例及调高电压两种调整方式：

1. 调高比例

图3(a)、(b)为两种调高比例方式，分别在反馈点或RAMP引脚加入输出反馈电压，以达到调高电压的目的。在图3(a)中，使用两个分压电阻在输出端及反馈点FB3，可按照固定比例调高电压，输出电压V₃和分压电阻R₂₄、R ₂₅及RAMP引脚电压V_RAMP对应关系式如下：

Eq2

以R₂₄=3.32KΩ，R ₂₅=100 KΩ，R _FB3=185.5KΩ为例，

Eq3

最高电压由1.475V变为1.55V，原本25mV的级差变为26mV，而输出电压转变时间维持不变。

在图3(b)中，使用电阻R₁连接RAMP引脚及输出V₃，可按照固定比例调高电压。

Eq4，

其中V_DAC为内部DAC输出电压。

以原本最高1.475V为例，

Eq5

Eq6

若希望调高后电压为1.55V，则V_RAMP必须为：

EQ7

可得R₁=575 KΩ。

由于电阻R₁的关系，RAMP引脚电压V_RAMP的时间常数也随之改变：

在RAMP引脚可以得到

Eq8

代入

Eq9

整理后可以得到:

Eq10

可以得到V_RAMP(t)微分方程式：

Eq11

而V_RAMP(0)、V_DAC(0)、V_RAMP(∝)为己知值，可以得到：

Eq12，其中

Eq13

假设电压从1.3V变至1.0V，

Eq14，Eq15

得

Eq16，Eq17

新的时间常数为：τ=157μs，而原时间常数=R₂×C_RAMP=150μs，只有7μs的变化，输出电压转变时间常数改变很小。

2. 电压调整法

图4中，用电阻R₁连接V_RAMP与1.25V参考电压V_REF，两个分压电阻R₃、R₄连接在输出端和反馈点FB3，可以调高输出电压，V₃=1.28V _RAMP+ΔV，ΔV为固定电压，分析如下：

Eq18,而Eq19，可得

Eq20

可以设定Eq21及Eq22

因而得到Eq23

简化Eq24及Eq25可以得到：

Eq26及Eq27

代入A=1.28，V_REF=1.25V，ΔV =75mV及R₂

得到R₁=2.133MΩ。

假设Eq28，其中Eq29

可得:

Eq30

Eq31

假设Eq32，Eq33，Eq34，EQ35，可以得到固定Eq36的电压变化。

本文小结

MAX1586电源控制器能够提供PDA或智能电话所需的大部份电源管理控制，本文对CPU内核电压转变时间控制、调高输出电压的方式以及改变后CPU内核电压转变时间的变化作了详细推导，利用简单的外围线路就可调高CPU内核电压以达到CPU对于输出电压的要求，适合更高工作频率的CPU，使得MAX1586在PDA或智能电话的应用上更有弹性。

作者：蓝瑞立

颜士明

MAXIM台湾公司