處理器的發(fā)展
隨著集成度不斷提高，以及特征尺寸不斷縮小，處理器內(nèi)核電壓也開(kāi)始降至 1V 以下，同時(shí)其電流消耗也隨著工作速度的提高而上升。工藝技術(shù)的改進(jìn)必須與負(fù)載點(diǎn)電源設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展要求同步。適用于二十世紀(jì)八九十年代的電源管理解決方案未必適用于目前的高性能處理器。為處理器提供核心動(dòng)力面臨著若干技術(shù)上的挑戰(zhàn)，如：如何放置大型旁路電容、浪涌電流、穩(wěn)壓精度與定序等。
能量的來(lái)源——大型旁路電容
處理器的總電流不單由電源自身提供，還由處理器的旁路以及電源的大型電容器提供。如果處理器工作強(qiáng)度發(fā)生突然變化導(dǎo)致負(fù)載急劇瞬變，那么浪涌電流首先由本地旁路電容提供——通常為較小的陶瓷電容，它們可針對(duì)負(fù)載變化做出迅速響應(yīng)。隨著處理速度從 500 MHz 增至 1GHz 乃至更高，我們還需要存儲(chǔ)更多能量的旁路電容，這是至關(guān)重要的。另一能量來(lái)源就是電源的大型電容。對(duì)于較新型的高性能處理器而言，旁路電容應(yīng)等于乃至大于電源的大型電容。為了避免造成穩(wěn)定性方面的問(wèn)題，我們必須注意確保電源在增加旁路電容的情況下保持穩(wěn)定。即便電源評(píng)估板在基準(zhǔn)情況下工作良好無(wú)誤，但連接至負(fù)載時(shí)也可能出錯(cuò)。為確保對(duì)電源的反饋環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償，以適應(yīng)更大的旁路電容。大型旁路電容必須彼此靠近，才能減小寄生效應(yīng)。
避免浪涌電流
帶有大型旁路電容的電源在啟動(dòng)時(shí)可能發(fā)生問(wèn)題，因?yàn)殡娫磫?dòng)時(shí)可能難以為大型旁路電容充足電并滿足處理器的負(fù)載要求。因此，電源可能會(huì)在過(guò)電流情況下斷電，電壓也可能在啟動(dòng)時(shí)暫時(shí)下降（變?yōu)閱握{(diào)），這就可能導(dǎo)致處理器鎖死。為了減小浪涌電流，我們可延長(zhǎng)內(nèi)核電壓電源的啟動(dòng)時(shí)間，從而讓旁路電容慢慢充電。眾多 DC/DC 調(diào)節(jié)器均具有可調(diào)節(jié)的慢啟動(dòng)引腳，以延長(zhǎng)電壓上升時(shí)間。如果調(diào)節(jié)器不帶慢啟動(dòng)引腳，那么我們可以采用外部 MOSFET 與 RC 充電方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。超額電源設(shè)計(jì)是另一種解決浪涌電流的簡(jiǎn)單方法，前提是設(shè)計(jì)人員能夠承受更高額定電流帶來(lái)的體積增大、價(jià)格升高的不利因素。如果處理器要求的話，我們也建議采用帶有電流限制的 DC/DC 調(diào)節(jié)器來(lái)保持單調(diào)的電壓斜線上升。
精度調(diào)節(jié)
多年前的處理器要求電壓容限達(dá) 5% 之多，但隨著工藝節(jié)點(diǎn)不斷縮小，內(nèi)核電壓也降至 1V 以下，因此容限減小，甚至可能要求線路（工作輸入電壓范圍）、負(fù)載（工作輸出電流范圍）和工作溫度上的誤差容限不超過(guò) 3%。為確保精度調(diào)節(jié)能夠滿足處理器的要求，一般產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的電氣特性部分保證設(shè)備在一定溫度和線路條件下的性能誤差在參考電壓 1% 的范圍內(nèi)。負(fù)載精度在3A情況下誤差最大為 0.09%。TPS54310 在各種線路、負(fù)載以及溫度條件下都能夠輕松實(shí)現(xiàn)誤差在 3% 以內(nèi)。表1 給出了TPS54310 的調(diào)節(jié)精度示例。
AC 精度調(diào)整
如果處理器在從低工作到高工作狀態(tài)變化中遇到動(dòng)態(tài)負(fù)載范圍突變，它會(huì)迅速消耗掉更多的電流，這就會(huì)導(dǎo)致電壓下降。電源必須對(duì)電壓變化立即做出反應(yīng)以保持調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確度（圖 1）。電壓峰值 (voltage spike) 應(yīng)不超過(guò)處理器的電壓容限規(guī)范，因此您應(yīng)準(zhǔn)確了解處理器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中所列的最大絕對(duì)內(nèi)核電壓要求是多少。為了提高電源在瞬態(tài)情況下的調(diào)節(jié)性能，我們可降低電感器的值，從而加速穩(wěn)壓器的響應(yīng)時(shí)間，并增加電容來(lái)提供更強(qiáng)的能量存儲(chǔ)能力，以適應(yīng)電壓下降以及電壓尖峰 (spike) 的情況。較好的做法是采用電源電壓監(jiān)控器來(lái)保護(hù)處理器，如果電壓在系統(tǒng)掉電過(guò)程中下降過(guò)低，那么就能提供良好的斷電重置功能。
定序
越來(lái)越多的處理器制造商開(kāi)始針對(duì)核心與 I/O 上電定序提供建議的時(shí)序指南。一旦我們了解了時(shí)序要求，就可根據(jù)負(fù)載點(diǎn)電源設(shè)計(jì)者的要求來(lái)選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)。對(duì)于雙電源而言，上電和斷電有幾種不同的方法，分別為：順序、同時(shí)排序和預(yù)偏置啟動(dòng)。
如果內(nèi)核與 I/O 上電之間要求有幾毫秒的短暫間隔，那么可實(shí)施逐次排序 (sequential sequencing)，具體順序隨意。其方法之一很簡(jiǎn)單，就是將一個(gè)穩(wěn)壓器的POWERGOOD 引腳連接至另一個(gè)穩(wěn)壓器的 ENABLE 引腳即可。另一種方法則是采用熱插拔類型的定序集成電路來(lái)控制每個(gè)電壓電平的打開(kāi)和關(guān)閉。這能夠?qū)崿F(xiàn)靈活性，但也會(huì)占用板級(jí)空間，并增加成本。
如果我們需要最小化上電與斷電期間的內(nèi)核與 I/O 電壓差動(dòng)的話，那么就可采用同時(shí)排序。在實(shí)施同時(shí)排序時(shí)，內(nèi)核與 I／O 電壓彼此跟蹤，直至達(dá)到所理想的較低電壓電平為止。這時(shí)，較低的電壓在其穩(wěn)壓點(diǎn)上不再上升，而較高電壓繼續(xù)上升。德州儀器 (TI) 推出了帶有 TRACKIN 引腳的 TPS54x80 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和帶有自動(dòng)跟蹤功能的 PTH 系列 DC/DC 模塊，它們都可用于實(shí)施同時(shí)排序。圖2顯示了上電過(guò)程中的內(nèi)核與 I/O 電壓跟蹤情況。
如果在內(nèi)核處于“打開(kāi)” 很久前就施加 I/O 電壓，而且內(nèi)核與 I/O 電壓之間必須存在最小增量，那么我們可方便地實(shí)施預(yù)偏置方法。在這種情況下，處理器制造商建議在上電前用二極管對(duì)內(nèi)核電壓進(jìn)行預(yù)偏置。二極管上的電壓下降在內(nèi)核與 I/O 電壓之間保持最小增量。采用同步補(bǔ)償 DC/DC 轉(zhuǎn)換器時(shí)，應(yīng)確保低壓側(cè)MOSFET 在啟動(dòng)過(guò)程中保持關(guān)閉，否則已經(jīng)施加給內(nèi)核的失調(diào)電壓就會(huì)在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)時(shí)匯至接地，這可能會(huì)損壞二極管。內(nèi)核電壓隨二極管電壓下降而隨 I/O 電壓相應(yīng)變動(dòng)，這表明處理器的內(nèi)核電壓在打開(kāi)前已經(jīng)有了偏移值。隨后，內(nèi)核在失調(diào)電壓的基礎(chǔ)上斜線上升，直至達(dá)到所需的電壓電平為止。圖3給出了預(yù)偏置啟動(dòng)波形圖的一個(gè)示例。TPS54x73 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器與 PTH 系列 DC/DC 模塊可用于實(shí)施預(yù)偏置啟動(dòng)。
為 PLL 供電
許多較新型的處理器除了內(nèi)核與 I/O 電壓之外還要求單獨(dú)的 PLL（鎖相環(huán)）電源。如果執(zhí)行代碼時(shí)PLL的電壓處于最小和最大容限之外，而且很不穩(wěn)定，那么就可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞，或處理器鎖死。我們可采用簡(jiǎn)單的預(yù)防措施，如使用電源電壓監(jiān)控器 (SVS) 等，來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)的完整性。內(nèi)核與 I/O 電壓穩(wěn)定后，PLL電壓的容限必須在一定的時(shí)鐘周期之內(nèi)，如在執(zhí)行任何代碼前容限必須保持在最大1,000 個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)。某些處理器包括內(nèi)置的SVS功能，可讓PLL電壓趨于穩(wěn)定。如果您的處理器不具備上述的內(nèi)部處理功能，那么可采用電壓容限要求較嚴(yán)格的電源電壓監(jiān)控器來(lái)確認(rèn)內(nèi)核與 I/O 穩(wěn)定性。請(qǐng)確保監(jiān)控器的“RESET”時(shí)間大于 PLL 電壓穩(wěn)定下來(lái)所需的時(shí)鐘周期數(shù)。電源紋波抑制 (PSRR) 較強(qiáng)的低壓降調(diào)節(jié)器（如 TPS79xxx 系列）有助于降低不必要的噪聲尖峰進(jìn)入 PLL。
總結(jié)
目前，先進(jìn)的高性能處理器需要高性能負(fù)載點(diǎn)電源。更大的旁路電容、排序、浪涌電流、精度調(diào)節(jié)以及 PLL 供電電壓監(jiān)控都是目前負(fù)載點(diǎn)電源所必須解決的問(wèn)題。5年以前適用的電源解決方案可能已不再適用于較新型的處理器。請(qǐng)記住，DC/DC穩(wěn)壓器是針對(duì)特定市場(chǎng)和終端設(shè)備而專門(mén)設(shè)計(jì)的，有著特定的成本和性能目標(biāo)。
