PWM调节DCDC参数计算原理

1、动态电压频率调整DVFS

SOC芯片的核电压、GPU电压、NPU电压、GPU电压等,都会根据性能和实际应用场景来进行电压和频率的调整。

即动态电压频率调整DVFS(Dynamic Voltage and Frequency scaling),优化性能和功耗。

比如某SOC在频率1.896GHz时,采用的核电压是1.009V;

在1GHz时,采用的核电压是0.789V。

2、为什么SOC的频率越高,电压要越高尼?

因为SOC内部的FET(场效应晶体管,Field-Effect Transistor)充放电需要一定时间,也就是门延迟时间。

只有在充放电完成后,采样信号才能保证信号的完整性。即门延迟时间太长的话,会影响信号翻转,采样的数据就会异常,抬高电压可以缩短门延迟时间。

根据公式Q=I*t=C *U,门延迟时间和电压是负相关的,即电压高,则充放电时间就短。

3、PWM如何调节DCDC输出电压

3.1 PWM调节DCDC电压电路框图

PWM调节DCDC电压的电路框图如下图所示。Vcore电压是CPU的核电压,CPU通过PWM module输出相应占空比的PWM信号来调整Vcore电压,及CPU自身的工作频率。

3.2 DCDC FB error amplifier误差放大器

误差放大器通过比较参考电压(设定值)和反馈电压(实际输出电压的一小部分),并放大它们之间的差异,来控制DC-DC转换器的功率开关,从而达到调节输出电压的目的。

其分析思路就是运放的"虚短"和"虚断",Vfb电压等于Vref电压,流入EA误差放大器的电流为零。

3.3 PWM调节DCDC电压参数计算

参数计算的方法,就是采用基尔霍夫定律,及运放的"虚短"和"虚断"原理。

3.3.1 基尔霍夫定律

基尔霍夫定律是电路分析中的两个基本的定律:基尔霍夫电流定律(KCL);基尔霍夫电压定律(KVL)。

3.3.2 参数计算方式1

假设PWM调节DCDC电压电路如下图所示,R1为DCDC FB的上电阻(即是反馈电阻),R2为DCDC FB的下电阻。

R3和R4是链路上的调节电阻,R5和C1是RC整流成直流电压的作用。

参数计算计算方式1,假设电流i1的流向:R3->R4->R5-Vpwm。(即R5和C1的整流直流电压比Vref小)

i2=i1+i3

i1=(Vref-Vpwm)/(R3+R4+R5)

i2=(Vout-Vref)/R1

i3=Vref/R2

Vout=Vref+i2*R1

Vout=Vref+(i1+i3)*R1

Vout=Vref+【(Vref-Vpwm)/(R3+R4+R5)+Vref/R2】*R1

Vout=Vref+R1*(Vref-Vpwm)/(R3+R4+R5)+R1*Vref/R2

Vout=(1+R1/R2)*Vref+R1*(Vref-Vpwm)/(R3+R4+R5)

3.3.3 参数计算方式2

参数计算计算方式1,假设电流i1的流向:R5->R4->R3->R2。(即R5和C1的整流直流电压比Vref大)

i3=i1+i2

i1=(Vpwm-Vref)/(R3+R4+R5)

i2=(Vout-Vref)/R1

i3=Vref/R2

Vout=Vref+i2*R1

Vout=Vref+(i3-i1)*R1

Vout=Vref+【Vref/R2-(Vpwm-Vref)/(R3+R4+R5)】*R1

Vout=(1+R1/R2)*Vref-R1*(Vpwm-Vef)/(R3+R4+R5)

3.3.4 具体计算例子

Vref为DCDC的参考电压,常见的有0.6V,0.8V。(还有0.765V的)

Vpwm为PWM信号电压,如高电平3.3V,占空比为50%的PWM波对应的直流电压为1.65V。

R1=24K,R2=27K,R3=180K,R4=18K,R5=2K,C1=0.1uF,Vref=0.6V,Vpwm电压最大值是3.3V。

1、当Vpwm是直流电压0V时,Vout=1.205V;

2、当Vpwm是直流电压3.3V时,Vout=0.809V;

3、当Vpwm是高电平3.3V,频率24MHz,占空比50%时(方波),

Vout=(1+24/27)*0.6-24*(1.65-0.6)/(180+18+2)=1.007V。

3.3.5 PWM信号的RC整流

原理:PWM信号的正周期会对RC滤波电路中的电容充电,而负周期则是电容对外放电。充电的电压是PWM的最大值,放电电压是电容充电时的电压值,即充电电压比放电电压高,则充放电过程中,电压越来越高。这样,电容随着PWM信号的充电和放电,PWM信号转换成直流信号。

RC低通滤波器整流成直流电压时,PWM信号的频率要远大于其截止频率,其截止频率f=1/(2ΠRC),建议RC滤波器的截止频率是PWM信号频率的1%甚至更低。反之,RC时间常数远大于PWM的时钟周期时间。

当PWM信号的频率远大于RC截止频率f时,输出的直流电压可以直接按照PWM信号的占空比来计算。如果PWM信号的占空比为D(即高电平时间与周期时间的比例),且高电平电压为Vhigh,则输出的直流电压Vout可以近似表示为:Vout=D×VhighVout=D×Vhigh

4、小结

第三点的参数计算方式的Vpwm电压值,应该是在RC后的电压,即R5和C1点上的电压值。由于R5的电阻值,远小于R3和R4阻值,因此计算上影响不大。

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丛林社会,从来不相信眼泪;再多的抱怨也没有用,不会有人可怜的

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