随着行动电话和其它可携式电子产品日益复杂，系统于工作和待命时的功耗也变得更大，使得可携式装置的电源管理设计在核心电压、电力管理和电池寿命等方面都必须面对新挑战。硬体设计人员已开始使用具有内建核心电压调整和稳压功能特性的高整合度先进元件来提供系统所需的电压（例如记忆、I/O等），然而这些复杂解决方案却不一定能将足够的弹性提供给系统设计人员。本文介绍一种新方法来解决动态电压管理（Dynamic Voltage Management；DVM） 问题，它是以高频降压转换器为基础。
系统概述
以可携式应用为主的现代处理器多半内建I2C串列通讯界面，用来控制它们的外部电源管理单元。 (图一)是产生可适性核心电源的另一种解决方案，处理器核心功耗与工作频率和VCORE2成正比。由新型3 MHz同步降压转换器和10位元数位类比转换器组成的双晶片解决方案则能将高准确度和极小的电压调整步阶结合在一起。
随着处理器的工作频率不同，核心电压可以动态而精确的调整至最低下限，使得功耗减至最小。这种做法不仅能降低正常模式的功耗，还能减少深度睡眠模式下的漏电流效应，进而延长系统待命时间。
核心电源供应的心脏
体积精巧又能在3 MHz开关速度下工作的新世代高频降压转换器，拥有同类产品中最强大的暂态响应能力和输出电压精确度，使其得以满足现代处理器核心最严格的电压规格要求，先进的总和比较器（summing comparator）电压模式控制架构则为稳压效能开启一片新天地。
这颗3 MHz转换器仅需1.0μH电感和4.7μF输出电容就能工作，可让系统得以使用体积小而成本低的晶片电感。这颗元件采用2mm×1mm×0.65mm的晶片级封装，当产品的设计关键在于体积和厚度都很小的解决方案时，可充份满足行动电话制造商的需求。
动态电压调整变得简单
(图二)是简化后的低功耗直流电源转换器方块图，用来说明元件的增益架构和控制回路设计；输出电压设定方式是它与传统稳压器的明显区别之一。传统上，误差放大器的正输入端会加上参考电压，输出电压则会透过外接电阻构成的分压器回授至放大器的负输入端，设计人员只要设定适当的分压电阻值，就会得到所要的输出电压。
这颗3 MHz转换器则内建偏移电压很小的低功耗运算放大器，当它需要产生输出电压时，它会利用放大器和外部电阻将参考电压（VREF = 400 mV）放大至目标输出电压的三分之二，这个电压则成为直流闭回路增益值为1.5倍的「传动电路」（Power Train）的参考电压。
功率放大器若有固定的闭回路增益值，则它不仅能提供恒定不变的小讯号暂态响应能力，不受输出电压设定值的影响，而且不管在采用不同的电感和电容值组合，它都能提供非常精准的稳压能力和强固可靠性。
(图三)是利用运算放大器实作的能带间隙（band-gap）参考电压放大电路，可将这个偏移电压很小的运算放大器视为一颗提供A类输出电路的理想放大器，它能供应电流，但不能汲入电流。想要成为负回授的线性系统，能带间隙缓冲放大器就必须在数位类比转换器电压小于VREF电压（400mV）的情形下工作，只有此时电流才会流出ADJ接脚，再经由R1和R2电阻到地。
如果数位类比转换器电压高于VREF电压，电流方向将会相反，变成经由R1和R2进入ADJ接脚，由于这颗运算放大器的输出级（MOS1）只能供应电流，它将无法继续在线性模式工作。在这种情形下，电压随耦电路所使用的MOS1电晶体将变得阻抗很高；事实上，想要盖过ADJ电压，FB电压必须高于内部参考电压 （VREF）。
如果数位类比转换器电压盖过ADJ电压，那么在选择预设电压的外接设定电阻R1和R2时，就必须将ADJ接脚的输入电阻（1 MΩ ±30％） 列入考虑。事实上，此时R1和R2等于和ADJ接脚的输入电阻串联，并形成电阻分压器。要在温度、输入电源和负载变动范围内达到1％精确度，建议将（R1 + R2）选择在20 kΩ范围内。
(图四)是直流转换器输出电压和数位类比转换器电压的关系图，为使动态电压管理应用发挥最佳效能，建议让电路在数位类比转换器电压高于450mV的地方工作。
| 《图四 输出电压与数字模拟转换器控制电压的关系图》 |
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I2C控制的可适性电压调整：工作原理
(图五)的电路是利用范例降压转换器和一颗10位元数位类比转换器所设计的电路，该降压转换器最高提供500mA输出电流，输出电压最低为0.6 V。 10位元数位类比转换器内建I2C界面以支援标准/快速模式（最高400 kbps）以及高速模式（最高3.4 Mbps）。电源启动时，内建的开机重设电路会将输出电压预设为零。
在这个应用中，降压转换器的电源直接来自一颗锂离子电池，数位类比转换器则是使用电压值为2.85 V的稳压电源，此电压可由另一组系统电源供应。这个数位类比转换器的架构是以R/2R电阻串（resistor string）为基础，并采用单石晶片以满足设计要求，如(图六)。
对于核心供应电压，有两种不同的操作模式需要考虑：
1.预设输出电压：
这个电压会在数位类比转换器启动时的开机重设动作完成后生效，只要系统没有透过I2C界面设定数位类比转换器，这个电压就会停在0 V；在这个阶段，核心电压由电阻R1和R2定义，其值可由表1的公式求出（设定输出电压预设值）。
2.数位类比转换器控制输出电压：
在这个模式下，数位类比转换器的输出电压应设定在0.45 V以上，使电路得以利用「覆盖」（override）功能的优点，我们可以根据表一所列出的公式（MOS1高阻抗）来计算此模式下的核心供应电压。
(图七)是DAC (数位类比转换器输出电压)以及VOUT(核心电压)随着数位类比转换器设定值改变的情形。
| 《图七 VDAC以及VOUT电压与数字模拟转换器设定值的关系图》 |
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这个应用选择1.3V作为核心电压预设值,此时所需的R1和R2电阻值为:
R1：9.5kΩ
R2：8.2kΩ
| 《图八 开机时将核心电压默认值VOUT设为1.3 V》 |
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(图八)是核心电压预设值在开机时的调整过程。降压转换器提供电源给的3.9Ω电阻性负载，在1.3V预设输出电压下，这会得到330mA负载电流。在(图八)中，直流电源转换器的致能接脚（EN）以及VIN都会被提升至高电位，核心电压则会在延迟时间最短的情形下上升。然而现代处理器已能自行产生控制讯号来启动外部的核心电源供应电路，此时降压转换器的致能接脚就是由处理器来控制。
等到核心电压上升至预设值，处理器也开始工作后，系统就能开始动态调整核心电压值。为了降低功耗、延长电池的使用时间，系统可将处理器的时脉及核心电压设定为最佳值。
(图九)和(图十)是升压和降压调整过程中的VOUT波形图，这个应用可在20 μs内完成最低电压1 V和最高电压1.5 V之间的转换；除此之外，降压转换器的稳压功能亦可提供电源暂态响应能力，减低核心电压调整过程中的暂态电压过高或过低（voltage over/under-shoot） 现象。
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