使用TPS62200作为OMAP1510的动态电压缩放器

 

毫无疑问的，延长可携式电子产品之电池使用寿命将有助于该产品的销售。对微处理器而言，降低内部时脉频率以及/或降低核心电压均有助于降低其功率消耗。动态电压缩放(Dynamic voltage scaling , DVS)技术常用来降低核心电压以降低功率消耗。本文将说明如何使用TPS62200降压型转换器来实现动态电压缩放技术并作为OMAP1510处理器之电源。 下列式子将说明使用TI-DSP核心之微处理器的功率消耗计算方式： PC ~ (VC)2 × f 其中PC代表核心功率消耗，VC为核心电压，f则为核心时脉频率 因此，降低内部时脉频率以及/或降低核心电压均可降低核心之功率消耗。动态电压缩放技术一般常用来降低核心电压以达到降低核心功率消耗的目的。本文将说明如何使用TPS62200降压型转换器来实现动态电压缩放技术并作为OMAP1510处理器之电源。 OMAP1510处理器具有两种操作模式：AWAKE（唤醒）模式以及低功耗的DEEP-SLEEP（深睡眠）模式。在AWAKE模式时，OMAP1510处理器需要1.5伏特的输入电压。在DEEP-SLEEP模式时，OMAP1510处理器可操作在1.1或1.5伏特的输入电压下。在DEEP-SLEEP模式时，若输入电压VDDx = 1.1 伏特，OMAP1510处理器的功率消耗将会降至最低。图1为使用TPS62200可调式降压型转换器实现动态电压缩放技术之电路图。图中还包括了一个外加的回授电阻RX以及被称为低功率模式(Low Power Mode, LPM)的数字控制讯号，该讯号在电压由1.5伏特降为1.1伏特时会转为低态。
图1 使用TPS62200作为OMAP1510的动态电压缩放器 控制讯号LPM透过RX将电流注入回授网络中以藉此改变输出电压。式1以及式2将电流在回授节点VFB上加总。对式1以及式2同时求解并将其代回以求解RB可得式3以及式4。这些方程式可用来计算注入电阻RX以及底端回授电阻RB。在图1中，RT = 402 k?，VO_HI = 1.5 伏特，VO_LO = 1.1 伏特，VLPM_HI = 2.8 伏特，VLPM_LO = 0 伏特以及VFB = 0.5 伏特。 图2为当负载电流降至300 微安培时的输出电压瞬时。瞬时时间过长的原因是因为用来将10-μF输出电容器由1.5伏特放电至1.1伏特的放电电流仅有300 微安培。
图2 两种输出电压间的瞬时 TPS62200非常适用于实现动态电压缩放技术。当OMAP1510操作在 AWAKE模式下时，TPS62200操作在PWM模式以达致高效率的目的并提供较高的负载电流。当OMAP1510操作在DEEP-SLEEP模式下时，TPS62200操作在PFM模式以更有效率的提供数百微安培的低负载电流。举例来说，当使用TPS62200以及一个3.6伏特，1 Ah的锂离子电池作为OMAP1510芯片的输入电源时，本架构可达到下列的特性： 不使用动态电压缩放的DEEP-SLEEP 模式：
(TPS62200 操作于 PFM模式) VO = 1.5 伏特, 300 μA
效率= 93% 使用动态电压缩放的DEEP-SLEEP 模式：
(TPS62200 操作于 PFM模式) VO = 1.1 伏特, 250 μA
效率= 93% AWAKE 模式：
(TPS62200 操作于 PWM模式) VO = 1.5 伏特, 100 mA
效率= 96% 假设微处理器操作在AWAKE 模式下的时间占5%，操作在DEEP-SLEEP 模式下的时间占95%，此一电池将可使用九个小时。