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。

——END——

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

推荐阅读

深度解析：RTC电路上的32.768KHz时钟的频偏及测试

PCB Layout设计中的3W原则、20H原则和五五原则详解

各种协议标准免费下载

大厂学习资料及面试资料分享

PCB Layout过孔阻抗计算详解

天线规格书有哪些重要参数？