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微处理器内核电压的调整方法及电压转变时间设定

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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。

图1:MAX1586电源管理控制器。(点击看大图)

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图2. 1.3V至1.0V输出电压转变时间。

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VFB3和RAMP引脚电压VRAMP成正比,可得下式:

VFB3=A×VRAMP,其中A=1.28。

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

Eq1

其中CRAMP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,CRAMP=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CRAMP=1500pF为例,时间常数τ=100KΩ×CRAMP=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VRAMP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。图3:a. 比例调整方法一。 b. 比例调整方法二。

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VDAC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VRAMP必须为:

EQ7

可得R1=575 KΩ。

由于电阻R1的关系,RAMP引脚电压VRAMP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VRAMP(t)微分方程式:

Eq11

而VRAMP(0)、VDAC(0)、VRAMP(∝)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

Eq16,Eq17

新的时间常数为:τ=157μs,而原时间常数=R2×CRAMP=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VRAMP与1.25V参考电压VREF,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,可得图4:电压调整方法。

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,VREF=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

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