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PDA动态核心的电源管理Smartphone

随着PDA(个人数字助理器)/Smartphone(智能型手机)体积的缩小,要求更长的电池使用时间。  电源管理控制器包含了数组直流电源转换器、电压调整器、电压侦测器及控制接口等,使用整合性电源管理控制器,可以节省控制器及外围零件所占空间及成本,提高电源转换效率及适时的关闭或调整输出电压,则可让电源使用更有效率。

电源管理控制器包含数组直流电源转换器、电压调整器、电压侦测器及控制接口等,使用整合性电源管理控制器,可以节省控制器及外围零件所占空间及成本...


电源管理控制器包含数组直流电源转换器、电压调整器、电压侦测器及控制接口等,使用整合性电源管理控制器,可以节省控制器及外围零件所占空间及成本;提高电源转换效率及适时的关闭或调整输出电压,则可让电源使用更有效率。 

 

为了达到加长电池使用时间,使用电源管理控制器可让设计简单化,减少研发风险及时间,本文就电源管理控制器及其核心电源的输出电压转变时间及电压调整详加讨论。表1所示为MAX1586整合性电源管理控制器,其包含了: 

◆3组直流电源转换器(PWM REG1、2、3)  

◆3组电压调整器(LDO REG4、5、6)  

◆2组电压侦测器 

◆1组重置输入和输出 

◆串行端口控制接口 

底下就各个功能详加说明。 

直流电源转换器 

3组直流电流转换器分别提供电源给外围接口、内存及中央处理器核心电源: 

外围接口及内存电源 

表1中,第1组直流电流转换器(PWM REG1)主要用来提供电源给外围接口,预设输出电压3.3伏特、3.0伏特或使用分压电组调整,最大输出电流1.3安培,可供给内部处理器、控制器外围接口电源或是CF适配卡、SD适配卡等外围电源;第2组直流电流转换器(PWM REG2)主要提供给内存电源,预设输出电压2.5伏特、1.8伏特或使用分压电组调整,最大输出电流0.9安培;此2组直流电流转换器内部各有一并联的电压调整器,在当输出负载很小时,可以关闭直流电流转换器,改经由电压调整器输出,其可减少控制器操作电流,进而提高转换效率,此2组直流电流转换器及并联电压调整器各有独立电源输入、开关控制脚位,让设计上弹性度增高。 

中央处理器核心电源 

新一代中央处理器为求更省电,在核心电源采用动态电压调整,MAX1586第3组直流电源转换器(PWM REG3)用来供给CPU核心电源,其输出电压可经由串行端口控制接口调整,输出范围可由0.7伏特调整至1.475伏特,当CPU操作在不同模式时,所需核心电压也不同,例如在全速执行时需要1.3伏特,当进入省电模式时工作频率下降,可能只需要1.0伏特,透过动态调整CPU执行速度及核心电压,来达到省电要求。而每次调整输出电压时,输出电压转变时间则由RAMP脚位外部所连接接地电容器容质大小来决定,选择适当的电容器容质大小以符合CPU对于核心电压动态转换的要求。 

中央处理器核心电源输出电压转变时间设定 

当经由串行端口控制接口调整输出电压时,内部DAC输出电压也随之改变,DAC输出经由100KΩ连接至RAMP脚,而RAMP脚位上接有一接地电容器,在MAX1586设计上第三组直流电源转换器(PWM REG3)输出电压回授点FB3电压VFB3和RAMP脚位电压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脚位电压VRAMP随电阻、电容充放电时间变化式为: 

其中CRAMP为RAMP脚位接地电容器容质大小,ΔV为电压变化量;以1.3伏特切换至1.0伏特,CRAMP=330pF、1500pF、3300pF为例,可得表2结果。 

一个简单有用的近似方法可以快速得到结果: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330μS,如输出电压从1.0伏特变化至1.3伏特,也就是输出电压变化斜率为1mV/μS。 

调高中央处理器核心电源输出电压 

当CPU工作频率愈高时所需核心电压也就愈高,如所需最高电压高于原本最高设定值1.475伏特时,简单的修改外围线路就可将输出电压调高至所需的电压,底下提出两种调整方式,固定调高比例及固定调高电压两种方式。 

固定调高比例调整法 

表3(a)、(b)为两种固定调高比例调整方法,分别在回授点或是RAMP脚位加入输出回授电压以达到电压调高的目地。 

在表3(a)中,使用两个分压电组在输出端及回授点FB3,可得到固定比例的电压调高,输出电压V3和分压电阻R24、R25及RAMP脚位电压VRAMP对应式子如下: 

以R24=3.32KΩ、R25=100KΩ、RFB3=185.5KΩ为例,V3=1.05VFB3=1.05*1.28 VRAMP=1.344VRAMP最高电压由1.475伏特变为1.55伏特,原本25mV一阶变为26mV一阶,而输出电压转变时间维持不变。 

在表3(b)中,使用电组R1连接RAMP脚及输出V3,可得到固定比例的电压调高。 

(详细请见新电子222期9月号第209页),其中VDAC为内部DAC输出电压。 

以原本最高1.475伏特为例V3=1.28*VDAC,(详细公式请见新电子222期9月号第209页)若希望调高后电压为1.55伏特,则VRAMP必须为: 

可得R1=575KΩ  

因R1的关系,RAMP脚位电压VRAMP时间变化常数也随之改变,分析如下: 

由电流定律在RAMP脚位可以得到 

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(∞)为已知值,可以得到: 

其中假设电压从1.3伏特变至1.0伏特,V3(0)=1.3V、V3(∞)1.0V得 

可以得到新的时间常数τ=157μS,而原本时间常数=R2*CRAMP=150μS,只有7μS的变化,表4为输出电压随时间的变化曲线图,上方曲线为改变后,下方曲线为原本变化,从曲线图上也可以看出输出电压转变时间常数改变很小。 

固定调高电压调整法 

在表5中,使用电组R1连接VRAMP及1.25V参考电压VREF,及两个分压电组R3、R4在输出端及回授点FB3,可得到固定电压的电压调高,V3=1.28VRAMP+ΔV,ΔV为固定电压,其分析如下: 

 而VFB3=A*VRAMP 

 可得 

 可以设定及 

因而得到V3=AVRAMP+ΔV  

简化及(详细公式请见新电子222期9月号第211页)  

 可以得到:(详细公式请见新电子222期9月号第211页)  

 及(详细公式请见新电子222期9月号第211页)  

 代入A=1.28、VREF=1.25V、 

ΔV=75mV及R2=100KΩ  

得到R1=2.133MΩ  

假设R4=RFB3//100KΩ, 

其中RFB3=1.85KΩ可得: 

R4=185.5KΩ//100kΩ=64.97KΩ  

  (详细公式请见新电子222期9月号第211页)  

 假定选定R1=2.133MΩ、R2=100KΩ  

、R3=3.046KΩ、R4=64.97KΩ  

可以得到固定ΔV=75mV的电压变化。 

电压侦测、重置输入输出、低电压锁住模式 

MAX1586含有2组电压侦测回路,预设侦测点在3.6伏特及3.15伏特,或可使用分压电组重新调整两组侦测点,表6(a)、(b)分别为2种使用分压电组调整侦测点方式。 

表6(a)设定方式: 

先选择R3小于250KΩ,经由下列式子求出R1及R2: 

  (详细公式请见新电子222期9月号第211页)  

 表6(b)设定方式: 

先选择R5及R7小于250KΩ,经由下列式子求出R4及R6: 

  (详细公式请见新电子222期9月号第211页)  

 其中VLB及VDB为想设定的低电池电压点及最低电池电压点。 

MAX1586含有一重置输出,当重置输入(MR)在低准位或输入电源第一次供给时,重置输出(RSO)会输出低准位并保持65mS的时间;另当输入电源低于2.35伏特时,MAX1586会进入低电压锁住模式,此时所有功能都被关闭,以减少输入电源耗电。 

MAX1586单一电源控制器内含了3组直流电源转换器、3组电压调整器、2组电压侦测器、1组重置输入和输出及串行端口控制接口,其包含PDA或是Smartphone所需大部份电源管理控制,以上就各个功能及应用上作了详述说明,另在CPU核心电压转变时间控制、固定调高比例和固定调高电压两种调高核心电压方式,及改变后CPU核心电压转变的时间变化作详细推导,利用简单外围线路就可调高CPU核心电源输出电压以达到CPU对于输出电压的要求,来符合高工作频率的CPU、动态输出电压转变时间的要求,这让MAX1586在PDA或Smartphone的应用上能有大幅弹性,进而达到设计上的要求。 

 

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