PDA動(dòng)態(tài)核心的電源管理Smartphone

隨著PDA(個(gè)人數(shù)字助理器)/Smartphone(智能型手機(jī))體積的縮小，要求更長(zhǎng)的電池使用時(shí)間。  電源管理控制器包含了數(shù)組直流電源轉(zhuǎn)換器、電壓調(diào)整器、電壓偵測(cè)器及控制接口等，使用整合性電源管理控制器，可以節(jié)省控制器及外圍零件所占空間及成本，提高電源轉(zhuǎn)換效率及適時(shí)的關(guān)閉或調(diào)整輸出電壓，則可讓電源使用更有效率。

電源管理控制器包含數(shù)組直流電源轉(zhuǎn)換器、電壓調(diào)整器、電壓偵測(cè)器及控制接口等，使用整合性電源管理控制器，可以節(jié)省控制器及外圍零件所占空間及成本...

電源管理控制器包含數(shù)組直流電源轉(zhuǎn)換器、電壓調(diào)整器、電壓偵測(cè)器及控制接口等，使用整合性電源管理控制器，可以節(jié)省控制器及外圍零件所占空間及成本；提高電源轉(zhuǎn)換效率及適時(shí)的關(guān)閉或調(diào)整輸出電壓，則可讓電源使用更有效率。 

為了達(dá)到加長(zhǎng)電池使用時(shí)間，使用電源管理控制器可讓設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化，減少研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)間，本文就電源管理控制器及其核心電源的輸出電壓轉(zhuǎn)變時(shí)間及電壓調(diào)整詳加討論。表1所示為MAX1586整合性電源管理控制器，其包含了： 

◆3組直流電源轉(zhuǎn)換器(PWM REG1、2、3)  

◆3組電壓調(diào)整器(LDO REG4、5、6)  

◆2組電壓偵測(cè)器 

◆1組重置輸入和輸出 

◆串行端口控制接口 

底下就各個(gè)功能詳加說明。 

直流電源轉(zhuǎn)換器 

3組直流電流轉(zhuǎn)換器分別提供電源給外圍接口、內(nèi)存及中央處理器核心電源： 

外圍接口及內(nèi)存電源 

表1中，第1組直流電流轉(zhuǎn)換器(PWM REG1)主要用來提供電源給外圍接口，預(yù)設(shè)輸出電壓3.3伏特、3.0伏特或使用分壓電組調(diào)整，最大輸出電流1.3安培，可供給內(nèi)部處理器、控制器外圍接口電源或是CF適配卡、SD適配卡等外圍電源；第2組直流電流轉(zhuǎn)換器(PWM REG2)主要提供給內(nèi)存電源，預(yù)設(shè)輸出電壓2.5伏特、1.8伏特或使用分壓電組調(diào)整，最大輸出電流0.9安培；此2組直流電流轉(zhuǎn)換器內(nèi)部各有一并聯(lián)的電壓調(diào)整器，在當(dāng)輸出負(fù)載很小時(shí)，可以關(guān)閉直流電流轉(zhuǎn)換器，改經(jīng)由電壓調(diào)整器輸出，其可減少控制器操作電流，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)換效率，此2組直流電流轉(zhuǎn)換器及并聯(lián)電壓調(diào)整器各有獨(dú)立電源輸入、開關(guān)控制腳位，讓設(shè)計(jì)上彈性度增高。 

中央處理器核心電源 

新一代中央處理器為求更省電，在核心電源采用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整，MAX1586第3組直流電源轉(zhuǎn)換器(PWM REG3)用來供給CPU核心電源，其輸出電壓可經(jīng)由串行端口控制接口調(diào)整，輸出范圍可由0.7伏特調(diào)整至1.475伏特，當(dāng)CPU操作在不同模式時(shí)，所需核心電壓也不同，例如在全速執(zhí)行時(shí)需要1.3伏特，當(dāng)進(jìn)入省電模式時(shí)工作頻率下降，可能只需要1.0伏特，透過動(dòng)態(tài)調(diào)整CPU執(zhí)行速度及核心電壓，來達(dá)到省電要求。而每次調(diào)整輸出電壓時(shí)，輸出電壓轉(zhuǎn)變時(shí)間則由RAMP腳位外部所連接接地電容器容質(zhì)大小來決定，選擇適當(dāng)?shù)碾娙萜魅葙|(zhì)大小以符合CPU對(duì)于核心電壓動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換的要求。 

中央處理器核心電源輸出電壓轉(zhuǎn)變時(shí)間設(shè)定 

當(dāng)經(jīng)由串行端口控制接口調(diào)整輸出電壓時(shí)，內(nèi)部DAC輸出電壓也隨之改變，DAC輸出經(jīng)由100KΩ連接至RAMP腳，而RAMP腳位上接有一接地電容器，在MAX1586設(shè)計(jì)上第三組直流電源轉(zhuǎn)換器(PWM REG3)輸出電壓回授點(diǎn)FB3電壓VFB3和RAMP腳位電壓VRAMP成正比，可得下式： 

VFB3=A*VRAMP其中A=1.28  

因DAC輸出電壓改變，RAMP腳位電壓VRAMP隨電阻、電容充放電時(shí)間變化式為： 

其中CRAMP為RAMP腳位接地電容器容質(zhì)大小，ΔV為電壓變化量；以1.3伏特切換至1.0伏特，CRAMP=330pF、1500pF、3300pF為例，可得表2結(jié)果。 

一個(gè)簡(jiǎn)單有用的近似方法可以快速得到結(jié)果：2.2倍時(shí)間常數(shù)約等于輸出電壓從10%變化至90%所需時(shí)間，以CRAMP=1500pF為例，時(shí)間常數(shù)τ= 100KΩ*CRAMP=150μS因而得到輸出電壓轉(zhuǎn)變所需時(shí)間約為330μS，如輸出電壓從1.0伏特變化至1.3伏特，也就是輸出電壓變化斜率為1mV/μS。 

調(diào)高中央處理器核心電源輸出電壓 

當(dāng)CPU工作頻率愈高時(shí)所需核心電壓也就愈高，如所需最高電壓高于原本最高設(shè)定值1.475伏特時(shí)，簡(jiǎn)單的修改外圍線路就可將輸出電壓調(diào)高至所需的電壓，底下提出兩種調(diào)整方式，固定調(diào)高比例及固定調(diào)高電壓兩種方式。 

固定調(diào)高比例調(diào)整法 

表3(a)、(b)為兩種固定調(diào)高比例調(diào)整方法，分別在回授點(diǎn)或是RAMP腳位加入輸出回授電壓以達(dá)到電壓調(diào)高的目地。 

在表3(a)中，使用兩個(gè)分壓電組在輸出端及回授點(diǎn)FB3，可得到固定比例的電壓調(diào)高，輸出電壓V3和分壓電阻R24、R25及RAMP腳位電壓VRAMP對(duì)應(yīng)式子如下： 

以R24=3.32KΩ、R25=100KΩ、RFB3=185.5KΩ為例，V3=1.05VFB3=1.05*1.28 VRAMP=1.344VRAMP最高電壓由1.475伏特變?yōu)?.55伏特，原本25mV一階變?yōu)?6mV一階，而輸出電壓轉(zhuǎn)變時(shí)間維持不變。 

在表3(b)中，使用電組R1連接RAMP腳及輸出V3，可得到固定比例的電壓調(diào)高。 

(詳細(xì)請(qǐng)見新電子222期9月號(hào)第209頁(yè))，其中VDAC為內(nèi)部DAC輸出電壓。 

以原本最高1.475伏特為例V3=1.28*VDAC，(詳細(xì)公式請(qǐng)見新電子222期9月號(hào)第209頁(yè))若希望調(diào)高后電壓為1.55伏特，則VRAMP必須為： 

可得R1=575KΩ  

因R1的關(guān)系，RAMP腳位電壓VRAMP時(shí)間變化常數(shù)也隨之改變，分析如下： 

由電流定律在RAMP腳位可以得到 

代入V3(t)=AVRAMP 

整理后可以得到： 

可以得到VRAMP(t)微分方程式： 

而VRAMP(0)、VDAC(0)、VRAMP(∞)為已知值，可以得到： 

其中假設(shè)電壓從1.3伏特變至1.0伏特，V3(0)=1.3V、V3(∞)1.0V得 

可以得到新的時(shí)間常數(shù)τ=157μS，而原本時(shí)間常數(shù)=R2*CRAMP=150μS，只有7μS的變化，表4為輸出電壓隨時(shí)間的變化曲線圖，上方曲線為改變后，下方曲線為原本變化，從曲線圖上也可以看出輸出電壓轉(zhuǎn)變時(shí)間常數(shù)改變很小。 

固定調(diào)高電壓調(diào)整法 

在表5中，使用電組R1連接VRAMP及1.25V參考電壓VREF，及兩個(gè)分壓電組R3、R4在輸出端及回授點(diǎn)FB3，可得到固定電壓的電壓調(diào)高，V3=1.28VRAMP+ΔV，ΔV為固定電壓，其分析如下： 

 而VFB3=A*VRAMP 

 可得 

 可以設(shè)定及 

因而得到V3=AVRAMP+ΔV  

簡(jiǎn)化及(詳細(xì)公式請(qǐng)見新電子222期9月號(hào)第211頁(yè))  

 可以得到：(詳細(xì)公式請(qǐng)見新電子222期9月號(hào)第211頁(yè))  

 及(詳細(xì)公式請(qǐng)見新電子222期9月號(hào)第211頁(yè))  

 代入A=1.28、VREF=1.25V、 

ΔV=75mV及R2=100KΩ  

得到R1=2.133MΩ  

假設(shè)R4=RFB3//100KΩ， 

其中RFB3=1.85KΩ可得： 

R4=185.5KΩ//100kΩ=64.97KΩ  

  (詳細(xì)公式請(qǐng)見新電子222期9月號(hào)第211頁(yè))  

 假定選定R1=2.133MΩ、R2=100KΩ  

、R3=3.046KΩ、R4=64.97KΩ  

可以得到固定ΔV=75mV的電壓變化。 

電壓偵測(cè)、重置輸入輸出、低電壓鎖住模式 

MAX1586含有2組電壓偵測(cè)回路，預(yù)設(shè)偵測(cè)點(diǎn)在3.6伏特及3.15伏特，或可使用分壓電組重新調(diào)整兩組偵測(cè)點(diǎn)，表6(a)、(b)分別為2種使用分壓電組調(diào)整偵測(cè)點(diǎn)方式。 

表6(a)設(shè)定方式： 

先選擇R3小于250KΩ，經(jīng)由下列式子求出R1及R2： 

  (詳細(xì)公式請(qǐng)見新電子222期9月號(hào)第211頁(yè))  

 表6(b)設(shè)定方式： 

先選擇R5及R7小于250KΩ，經(jīng)由下列式子求出R4及R6： 

  (詳細(xì)公式請(qǐng)見新電子222期9月號(hào)第211頁(yè))  

 其中VLB及VDB為想設(shè)定的低電池電壓點(diǎn)及最低電池電壓點(diǎn)。 

MAX1586含有一重置輸出，當(dāng)重置輸入(MR)在低準(zhǔn)位或輸入電源第一次供給時(shí)，重置輸出(RSO)會(huì)輸出低準(zhǔn)位并保持65mS的時(shí)間；另當(dāng)輸入電源低于2.35伏特時(shí)，MAX1586會(huì)進(jìn)入低電壓鎖住模式，此時(shí)所有功能都被關(guān)閉，以減少輸入電源耗電。 

MAX1586單一電源控制器內(nèi)含了3組直流電源轉(zhuǎn)換器、3組電壓調(diào)整器、2組電壓偵測(cè)器、1組重置輸入和輸出及串行端口控制接口，其包含PDA或是Smartphone所需大部份電源管理控制，以上就各個(gè)功能及應(yīng)用上作了詳述說明，另在CPU核心電壓轉(zhuǎn)變時(shí)間控制、固定調(diào)高比例和固定調(diào)高電壓兩種調(diào)高核心電壓方式，及改變后CPU核心電壓轉(zhuǎn)變的時(shí)間變化作詳細(xì)推導(dǎo)，利用簡(jiǎn)單外圍線路就可調(diào)高CPU核心電源輸出電壓以達(dá)到CPU對(duì)于輸出電壓的要求，來符合高工作頻率的CPU、動(dòng)態(tài)輸出電壓轉(zhuǎn)變時(shí)間的要求，這讓MAX1586在PDA或Smartphone的應(yīng)用上能有大幅彈性，進(jìn)而達(dá)到設(shè)計(jì)上的要求。