隨著行動電話和其它可攜式電子產品日益複雜，系統於工作和待命時的功耗也變得更大，使得可攜式裝置的電源管理設計在核心電壓、電力管理和電池壽命等方面都必須面對新挑戰。硬體設計人員已開始使用具有內建核心電壓調整和穩壓功能特性的高整合度先進元件來提供系統所需的電壓（例如記憶、I/O等），然而這些複雜解決方案卻不一定能將足夠的彈性提供給系統設計人員。本文介紹一種新方法來解決動態電壓管理（Dynamic Voltage Management；DVM） 問題，它是以高頻降壓轉換器為基礎。
系統概述
以可攜式應用為主的現代處理器多半內建I2C串列通訊界面，用來控制它們的外部電源管理單元。(圖一)是產生可適性核心電源的另一種解決方案，處理器核心功耗與工作頻率和VCORE2成正比。由新型3 MHz同步降壓轉換器和10位元數位類比轉換器組成的雙晶片解決方案則能將高準確度和極小的電壓調整步階結合在一起。
隨著處理器的工作頻率不同，核心電壓可以動態而精確的調整至最低下限，使得功耗減至最小。這種做法不僅能降低正常模式的功耗，還能減少深度睡眠模式下的漏電流效應，進而延長系統待命時間。
核心電源供應的心臟
體積精巧又能在3 MHz開關速度下工作的新世代高頻降壓轉換器，擁有同類產品中最強大的暫態響應能力和輸出電壓精確度，使其得以滿足現代處理器核心最嚴格的電壓規格要求，先進的總和比較器（summing comparator）電壓模式控制架構則為穩壓效能開啟一片新天地。
這顆3 MHz轉換器僅需1.0μH電感和4.7μF輸出電容就能工作，可讓系統得以使用體積小而成本低的晶片電感。這顆元件採用2mm×1mm×0.65mm的晶片級封裝，當產品的設計關鍵在於體積和厚度都很小的解決方案時，可充份滿足行動電話製造商的需求。
動態電壓調整變得簡單
(圖二)是簡化後的低功耗直流電源轉換器方塊圖，用來說明元件的增益架構和控制迴路設計；輸出電壓設定方式是它與傳統穩壓器的明顯區別之一。傳統上，誤差放大器的正輸入端會加上參考電壓，輸出電壓則會透過外接電阻構成的分壓器回授至放大器的負輸入端，設計人員只要設定適當的分壓電阻值，就會得到所要的輸出電壓。
這顆3 MHz轉換器則內建偏移電壓很小的低功耗運算放大器，當它需要產生輸出電壓時，它會利用放大器和外部電阻將參考電壓（VREF = 400 mV）放大至目標輸出電壓的三分之二，這個電壓則成為直流閉迴路增益值為1.5倍的「傳動電路」（Power Train）的參考電壓。
功率放大器若有固定的閉迴路增益值，則它不僅能提供恆定不變的小訊號暫態響應能力，不受輸出電壓設定值的影響，而且不管在採用不同的電感和電容值組合，它都能提供非常精準的穩壓能力和強固可靠性。
(圖三)是利用運算放大器實作的能帶間隙（band-gap）參考電壓放大電路，可將這個偏移電壓很小的運算放大器視為一顆提供A類輸出電路的理想放大器，它能供應電流，但不能汲入電流。想要成為負回授的線性系統，能帶間隙緩衝放大器就必須在數位類比轉換器電壓小於VREF電壓（400mV）的情形下工作，只有此時電流才會流出ADJ接腳，再經由R1和R2電阻到地。
如果數位類比轉換器電壓高於VREF電壓，電流方向將會相反，變成經由R1和R2進入ADJ接腳，由於這顆運算放大器的輸出級（MOS1）只能供應電流，它將無法繼續在線性模式工作。在這種情形下，電壓隨耦電路所使用的MOS1電晶體將變得阻抗很高；事實上，想要蓋過ADJ電壓，FB電壓必須高於內部參考電壓 （VREF）。
如果數位類比轉換器電壓蓋過ADJ電壓，那麼在選擇預設電壓的外接設定電阻R1和R2時，就必須將ADJ接腳的輸入電阻（1 MΩ ±30％） 列入考慮。事實上，此時R1和R2等於和ADJ接腳的輸入電阻串聯，並形成電阻分壓器。要在溫度、輸入電源和負載變動範圍內達到1％精確度，建議將（R1 + R2）選擇在20 kΩ範圍內。
(圖四)是直流轉換器輸出電壓和數位類比轉換器電壓的關係圖，為使動態電壓管理應用發揮最佳效能，建議讓電路在數位類比轉換器電壓高於450mV的地方工作。
| 《圖四 輸出電壓與數位類比轉換器控制電壓的關係圖》 |
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I2C控制的可適性電壓調整：工作原理
(圖五)的電路是利用範例降壓轉換器和一顆10位元數位類比轉換器所設計的電路，該降壓轉換器最高提供500mA輸出電流，輸出電壓最低為0.6 V。10位元數位類比轉換器內建I2C界面以支援標準/快速模式（最高400 kbps）以及高速模式（最高3.4 Mbps）。電源啟動時，內建的開機重設電路會將輸出電壓預設為零。
在這個應用中，降壓轉換器的電源直接來自一顆鋰離子電池，數位類比轉換器則是使用電壓值為2.85 V的穩壓電源，此電壓可由另一組系統電源供應。這個數位類比轉換器的架構是以R/2R電阻串（resistor string）為基礎，並採用單石晶片以滿足設計要求，如(圖六)。
對於核心供應電壓，有兩種不同的操作模式需要考慮：
1.預設輸出電壓：
這個電壓會在數位類比轉換器啟動時的開機重設動作完成後生效，只要系統沒有透過I2C界面設定數位類比轉換器，這個電壓就會停在0 V；在這個階段，核心電壓由電阻R1和R2定義，其值可由表1的公式求出 （設定輸出電壓預設值）。
2.數位類比轉換器控制輸出電壓：
在這個模式下，數位類比轉換器的輸出電壓應設定在0.45 V以上，使電路得以利用「覆蓋」（override）功能的優點，我們可以根據表一所列出的公式（MOS1高阻抗）來計算此模式下的核心供應電壓。
(圖七)是VDAC （數位類比轉換器輸出電壓）以及VOUT（核心電壓）隨著數位類比轉換器設定值改變的情形。
| 《圖七 VDAC以及VOUT電壓與數位類比轉換器設定值的關係圖》 |
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這個應用選擇1.3V做為核心電壓預設值，此時所需的R1和R2電阻值為：
R1：9.5kΩ
R2：8.2kΩ
| 《圖八 開機時將核心電壓預設值VOUT設為1.3 V》 |
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(圖八)是核心電壓預設值在開機時的調整過程。降壓轉換器提供電源給的3.9Ω電阻性負載，在1.3V預設輸出電壓下，這會得到330mA負載電流。在(圖八)中，直流電源轉換器的致能接腳（EN）以及VIN都會被提升至高電位，核心電壓則會在延遲時間最短的情形下上升。然而現代處理器已能自行產生控制訊號來啟動外部的核心電源供應電路，此時降壓轉換器的致能接腳就是由處理器來控制。
等到核心電壓上升至預設值，處理器也開始工作後，系統就能開始動態調整核心電壓值。為了降低功耗、延長電池的使用時間，系統可將處理器的時脈及核心電壓設定為最佳值。
(圖九)和(圖十)是升壓和降壓調整過程中的VOUT波形圖，這個應用可在20 μs內完成最低電壓1 V和最高電壓1.5 V之間的轉換；除此之外，降壓轉換器的穩壓功能亦可提供電源暫態響應能力，減低核心電壓調整過程中的暫態電壓過高或過低 （voltage over/under-shoot） 現象。
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