為微處理器核心供電

隨著處理器核心電壓與ASIC 核心電壓輪番持續(xù)下降，只有徹底理解了需求和可選方案，才能選出能提供這些所需低電壓的最佳設(shè)計。一般來說，在可能的情況下，我們大多數(shù)人都更愿意用線性穩(wěn)壓器，而不是開關(guān)穩(wěn)壓器。因為線性穩(wěn)壓器，或 LDO（low dropout，低壓降）穩(wěn)壓器，一般實現(xiàn)起來比較簡單，成本低，體積小。但是，線性穩(wěn)壓器從 V_IN 到 V_OUT 電壓降產(chǎn)生的功率損失會降低電源效率，并且發(fā)熱高，所以，線性穩(wěn)壓器經(jīng)常被排除在可選范圍之外。而且，當(dāng) V_OUT伴隨著微處理器核心電壓進一步下降，線性穩(wěn)壓器可能會更難于符合要求。然而，立即拋棄 LDO 穩(wěn)壓器也不明智的，畢竟它還有許多優(yōu)點。
　　在對線性穩(wěn)壓器作了評估后，我們還需要遍歷所有的開關(guān)穩(wěn)壓器可選方案。是應(yīng)該采用同步方式還是異步方式；用電流模式還是電壓模式；脈沖寬度、脈沖頻率還是磁滯開關(guān)？還需要其它特性嗎？如果可選的線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器實在太多，要找到一個最適合自己產(chǎn)品的方案，就應(yīng)該把應(yīng)用需求列出一個詳細清單，然后同各種可供選擇的方案進行比較。應(yīng)該記�。哼x擇正確設(shè)計的過程包括三個步驟，第一步就是建立有關(guān)需求、約束以及所期望特性的完整清單，從而全面理解自己的需要并使其文檔化。
　　這個清單開始于一些基本要素：如輸入電壓、輸出電壓以及負載電流。然后盡可能多地添加其它信息。清單中包含的需求、約束和期望特性越多，就更容易縮小可選方案的范圍。這一清單可以提示出什么是重要的，并幫助理解及證明自己的最終決定。清單的其它項可能包括：成本、尺寸、電壓降（壓差V_IN-V_OUT 的最低值）、最小/最大輸入電壓、最小/最大可接受負載電壓、容錯/精度、負載瞬態(tài)電流、線路調(diào)整率、靜態(tài)電流、電池類型及壽命、開/關(guān)腳、封裝/布局/定位的限制、順序、軟起動、環(huán)境溫度、期望和禁止的開關(guān)頻率、對部件來源/類型的限制等等。除此以外，是否還有其它因素會影響到最終決策呢？
　　經(jīng)過對需求與約束的充分考察并使之文檔化后，第二個步驟是研究選擇線性穩(wěn)壓器的可行性。這一步很有必要，這樣可以在研究線性穩(wěn)壓器優(yōu)劣的同時，快速地縮小可選范圍。最重要的一些計算都很簡單，通過這些計算可以確定功率損耗、效率以及需要的散熱方式：首先，用 I_OUT 與 壓差V_IN-V_OUT的乘積計算出功率損耗，然后與 IC 內(nèi)部電路的功耗相加：P_LOSS=[(V_IN-V_OUT)×I_OUT]+P_IC，其中，P_IC=V_IN×I_GND（I_GND 亦為 I_SUPPLY 或 I_Q）。
　　確認采用了最大的 V_IN 和最小的 V_OUT 來計算最差情況的數(shù)值。電源通常指定了最大 V_IN，而最小 V_OUT 的準確值可以通過數(shù)據(jù)表得到。接下來計算給負載提供的功率，方法是用輸出電壓乘以負載電流：P_OUT=V_OUT×I_OUT。最后，計算效率：用加到負載上的輸出功率除以系統(tǒng)總功率：效率 = P_OUT/(P_OUT+P_LOSS)。于是就得到了一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，可以用來篩選線性穩(wěn)壓器。

圖1，線性穩(wěn)壓器壓差V_IN-V_OUT(V_DIFF)范圍內(nèi)，功率損失與I_OUT關(guān)系。
　　功率損耗有兩個后果：發(fā)熱和低效率。使用線性穩(wěn)壓器的關(guān)鍵在于是否可以發(fā)散和耐受產(chǎn)生的熱量，以及避免由此所致電池壽命的縮減。另一個關(guān)鍵問題是，是否能通過提高 LDO 穩(wěn)壓器的性能來維持它的候選資格。圖1 顯示了在某個V_IN-V_OUT 差(V_DIFF)范圍內(nèi)，功率損耗與I_OUT的關(guān)系。圖 2 顯示了幾種常見封裝的功率耗散能力。如圖 2 所示，業(yè)界標(biāo)準封裝技術(shù)可以在不加散熱片情況下提供超過 2W 的功耗。可將此數(shù)值與上面計算的 P_LOSS 相比較。圖 3 按圖 2 所示順序和相對大小列出了各種封裝形式。

圖2，在無散熱片情況下，工業(yè)標(biāo)準封裝技術(shù)可以提供高于 2.0W 的功率耗散。

圖3，按圖2 順序列出的封裝以及相對尺寸。
　　已知負載電流和壓差V_IN-V_OUT確定功率損耗，那么如何提高 LDO 穩(wěn)壓器的性能，使之適應(yīng)標(biāo)準封裝的限制？盡管負載決定了輸出電流和電壓，但仍可以減小輸入電壓和 V_DIFF。如果能降低這個電壓差，就可以減小功耗和封裝的約束，也就可以有更多可供選擇的 LDO 穩(wěn)壓器方案。

圖4，F(xiàn)ET 正在代替雙極晶極管用于傳輸晶體管，因為 FET 的低導(dǎo)通電阻可以提供比雙極晶體管固定飽和電壓更低的壓降。
　　新型 LDO 穩(wěn)壓器滿足了這一要求，它具有比以往產(chǎn)品更低的電壓降(V_DIFF)，以及降低最小輸入電壓和輸出電壓等級的方法。需要用場效應(yīng)管(FET)代替雙極晶體管來擔(dān)當(dāng)傳輸晶體管角色，因為 FET 的導(dǎo)通電阻電壓降低于雙極晶體管的固定飽和電壓（圖 4）。但很遺憾，大多數(shù)的 LDO 穩(wěn)壓器仍然要求最低輸入電壓要高于控制電路的工作電壓。市場上也出現(xiàn)了一些改進后的 LDO 穩(wěn)壓器：它們有一個 V_IN 和一個 V_BIAS 輸入，即將主電流通路與 IC 的偏置通路分隔開。換句話說，該器件的控制電路運行在較高的標(biāo)準電壓下(5V)，有極小的電流(3mA)，而通向輸出端的大電流通路則來自一個獨立的低電壓輸入(V_IN)。這種設(shè)置降低了壓差V_IN-V_OUT以及功率損耗。美國國家半導(dǎo)體的 LP3883 就是使用 V_BIAS 端的一個電路實例，它在 3A 輸出電流時壓降為 210 mV�？梢詮囊粋� 1.5V 電源（另一個核心電壓）為 1.2V 負載(3.6W)提供 3A 電流，而功率損失僅為 900 mW。再加上控制電路消耗的 3mA 電流（控制電路電壓為 5V），總的功率損耗只有 915 mW，因此可以采用很多封裝形式。使用這些新型 LDO 穩(wěn)壓器，最佳策略就成了找到并利用電路板上的最低電壓。標(biāo)準封裝的線性穩(wěn)壓器一般都比開關(guān)穩(wěn)壓器更便宜、更小，使用也更方便。
　　可以用以下公式確定應(yīng)用的功耗對散熱方式的要求：θ_JA=(T_J-T_A)/P_LOSS，其中θ_JA 為封裝的熱阻；T_J為 I_C 的最大結(jié)溫（一般為 125°C），T_A 為緊貼 I_C的環(huán)境溫度（系統(tǒng)的內(nèi)部環(huán)境）。在本例中，T_A為 30℃（大致的室內(nèi)溫度），T_J 為 125℃。計算出方案所需θ_JA后，將其與LDO 數(shù)據(jù)表中的封裝進行比較，選定一種封裝形式。數(shù)據(jù)表中封裝的θ_JA必須等于或小于計算出的θ_JA值，否則結(jié)溫可能會超出設(shè)定的最大值。
　　現(xiàn)在，我們已經(jīng)計算了某個線性穩(wěn)壓方案的功率損失，并且確定了用于散熱的封裝形式。下面要考慮一下功耗和效率對電池壽命的影響。電池壽命一般用毫安小時（mAh）來表示。可以粗略地認為一節(jié) 100 mAh 的電池可以提供 10 個小時的 10 mA 電流，或提供一個小時的 100 mA 電流。（當(dāng)然許多因素可以影響或降低這一數(shù)值。）
　　如果 IC 核心需要 100 mA 電流，則無論輸入電壓或輸出電壓如何，線性穩(wěn)壓器都必須通過它的傳輸晶體管供給 100 mA電流。但是，開關(guān)穩(wěn)壓器可以通過控制傳輸晶體管的導(dǎo)通時間（占空比）來減少對輸入端平均輸入電流的需求。在大多數(shù)情況下，開關(guān)穩(wěn)壓器效率都高于 LDO，因為它的輸入電流是可以減小的，所以對那些需要高效率并對熱量敏感的應(yīng)用來說，開關(guān)穩(wěn)壓器方案更具吸引力。
　　關(guān)于線性穩(wěn)壓器有一個最后要注意的問題：如果核心電壓是 1.2V，應(yīng)確定它是否能承受更高的電壓。市面上大多數(shù)的線性穩(wěn)壓器都使用標(biāo)準的帶隙基準源，它的最低輸出電壓極限是大約 1.25V。如果核心可以承受稍高的電壓，可以選擇的器件范圍就寬多了，通常成本會更低。
　　現(xiàn)在，已經(jīng)清楚了線性穩(wěn)壓方案的參數(shù)，如效率、功耗、壓降以及封裝。第三步查看一下開關(guān)穩(wěn)壓器。前面提到過的新型 LDO 穩(wěn)壓器電壓降已經(jīng)大幅減小，某些情況下已接近了開關(guān)穩(wěn)壓器的效率，拓寬了它們的應(yīng)用范圍。然而，開關(guān)穩(wěn)壓器總體上效率仍然更高，也有許多種類可供選擇。

圖5，計算出的效率曲線，1.2V 輸出電壓，50 mA 至 5A 電流范圍，分別對應(yīng)于一個同步開關(guān)穩(wěn)壓器、一個異步開關(guān)穩(wěn)壓器和一個線性穩(wěn)壓器時。
　　先來比較一下開關(guān)穩(wěn)壓器的與線性穩(wěn)壓器的效率。圖 5 顯示了計算出的效率曲線，它們分別是一個同步開關(guān)穩(wěn)壓器、一個異步開關(guān)穩(wěn)壓器和一個線性穩(wěn)壓器，條件均為 1.2V 輸出電壓，輸出電流范圍為 50 mA 至 5A。當(dāng)輸入電壓從 3.3V 降至 2.5V 和 1.5V 時，異步開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器的效率均有較大提高。對線性穩(wěn)壓器，效率大致為 VOUT/VIN，所以當(dāng)輸入電壓降為 1.5V 時，效率大約提高 35% 至 80%，接近開關(guān)穩(wěn)壓器的效率。異步開關(guān)穩(wěn)壓器的效率增加約 10%，因為當(dāng)輸入電壓下降時，占空比增加，傳輸晶體管導(dǎo)通的時間多于二極管，這就需要更高的固定電壓降（本例為 0.5V）。應(yīng)記住這些效率只是理論值。在實際應(yīng)用中，由于開關(guān)穩(wěn)壓器有傳輸晶體管和電感的壓降，從 1.5V 可能得不到 1.2V 電壓，此時 LDO 穩(wěn)壓器就更具吸引力了。
　　現(xiàn)在，注意一下低輸出電壓條件下開關(guān)穩(wěn)壓器的效率，以及兩種主要開關(guān)穩(wěn)壓器（同步和異步）之間的比較評定。開關(guān)穩(wěn)壓器效率較高是因為它們降低了對電源電流的需求。對線性穩(wěn)壓器，傳輸晶體管總是導(dǎo)通的，多余的能量(V_DIFF×I_OUT)都以熱能形式散發(fā)出去。但是，開關(guān)穩(wěn)壓器可以把這個多余的能量儲存在輸出端的電感和電容中。負載可以從這里汲取能量，直至下一個開關(guān)周期刷新它們。由于開關(guān)穩(wěn)壓器是儲存能量而不是浪費掉它們，因此降低了平均輸入電流，提高了效率。

圖6，異步穩(wěn)壓器使用一個三極管和一個二極管完成能量傳送周期。同步穩(wěn)壓器則使用兩個三極管。

　　異步穩(wěn)壓器使用一個三極管和一個二極管來完成能量傳輸過程（圖 6）。在周期的第一部分，三極管將能量從源頭送給負載和 LC 濾波器。當(dāng)三極管截止時，正向偏置的二極管使 LC 中儲存的能量流向負載，完成周期的剩余部分。由于二極管導(dǎo)通需要較高的正偏電壓，所以最好是盡量使傳輸晶體管導(dǎo)通時間加長，以提高效率。但不幸的是，低輸出電壓經(jīng)常會產(chǎn)生短的占空周期。
　　同步穩(wěn)壓器用另一個三極管替代了異步穩(wěn)壓器中的二極管。這支三極管的電壓降低于二極管，于是效率高于異步開關(guān)穩(wěn)壓器。但輕載時則是一個例外，因為此時低導(dǎo)通電阻對系統(tǒng)效率提升作用不大，但仍要開關(guān)同步 FET 管。圖 5 顯示了這一效應(yīng)。當(dāng) I_OUT 接近 0A 時，同步 FET 的開關(guān)損耗明顯降低了效率。
　　一般而言，在需要低占空因數(shù)、大輸出電流或低輸出電壓的情況下（如為處理器核心供電的情況），同步穩(wěn)壓器的效率仍然高于異步穩(wěn)壓器。
　　許多開關(guān)穩(wěn)壓器有在輕載時提高同步穩(wěn)壓效率的功能。有些可以跳過脈沖或降低開關(guān)頻率，使開關(guān)動作不那么頻繁。另一種方法是關(guān)掉同步 FET 驅(qū)動，使用一個異步二極管與同步 FET 并聯(lián)組成通路。這種方法在輕載工作時取異步運行效率，而在正常工作狀態(tài)用同步運行效率。當(dāng)然，每增加一個特性都會增加復(fù)雜性、成本或電路體積。因此，必須將這些可選方案與需求和約束進行比較來作出決定。
　　哪個是設(shè)計中最重要的因素？效率、成本還是體積？糟糕的是，對開關(guān)穩(wěn)壓器來說，這三大因素的計算要比線性穩(wěn)壓器復(fù)雜得多。比較好的著手解決的方法是采用一般的效率曲線圖（如圖 5 所示）來確定哪種方案最適合對效率的要求。搞清楚成本和體積的限制是很關(guān)鍵的。高的開關(guān)頻率使得電路可以采用更小的電感和電容，從而能夠降低整體體積和方案成本。但開關(guān)頻率的升高可能會降低設(shè)計的總體效率。
　　由于可選方案眾多，因此應(yīng)該從多個線性和開關(guān)穩(wěn)壓電源供應(yīng)商那里獲得幫助。有了需求清單，就可以對一系列可行方案進行快速鑒別，還可以對沒有公開發(fā)表的新器件進行研究。一旦可選范圍縮小后，就可以計算各方案的效率、成本和體積，并且再次利用供應(yīng)商的支持與工具，比較各種可能方案的特性。還應(yīng)記住，盡管新型開關(guān)穩(wěn)壓器可能包括亞帶隙基準源，但大多數(shù)仍然繼續(xù)沿用標(biāo)準的帶隙基準源，因此多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器的最小輸出電壓仍被限制為 1.25V。
　　這里要特別提一下開關(guān)電容變換器。開關(guān)電容變換器可以提供比線性穩(wěn)壓器更高的效率，無需使用電感。但是，它們的電流限制約為 300 mA。開關(guān)電容設(shè)計在電池供電的應(yīng)用中很有吸引力，此時電感尺寸和 EMI 問題都是重要的限制因素。但是，采用新型開關(guān)技術(shù)與電感技術(shù)的開關(guān)穩(wěn)壓器已經(jīng)在許多應(yīng)用中獲得了相當(dāng)?shù)年P(guān)注，而這些應(yīng)用以前都是用開關(guān)電容變換器。
　　為低電壓微處理器核心供電有多種可選方案。在三個步驟的選擇過程中，第一步是建立一個需求與約束的完整清單；第二步是考慮新型 LDO 穩(wěn)壓器和標(biāo)準的封裝技術(shù)，分析是否可能采用線性穩(wěn)壓器方案；第三步是仔細審查開關(guān)穩(wěn)壓器，以及對同步、異步和線性方案的效率作出比較評定。有了需求表和收集到的信息，再尋求供應(yīng)商的幫助來縮小可選范圍，并計算各個方案的效率、成本和體積。

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