智能手機和平板電腦設計中的單鍵開/關機和復位的智能方案

1　引言

        隨著大量新興數(shù)據(jù)業(yè)務的應用，智能手機和平板電腦功耗水平大幅度提高，導致待機時間也大幅度縮短。為了能否延伸待機時間，內置電池的設計變得越來越普及。這是因為鋰電池的一半體積是由其結構件所占據(jù)的，如果電池內置于智能手機和平板電腦機身中，就可以節(jié)省鋰電池的結構件體積，從而在相同乃至更大的體積上大大提高電池的容量。如此一來，電池的容量確實得到了大幅度增加，伴隨著也產生了一個新的問題——如果智能手機和平板電腦在應用過程中發(fā)生軟件系統(tǒng)卡機的情況，如何進行系統(tǒng)的復位操作？

        與產品的主要功能相比，解除卡機狀況的機械復位裝置通常比較落后。為防止設備意外復位，大多數(shù)手動復位鍵（如果有的話）都掩藏在機身內。因為復位鍵很難觸及，所以拆卸電池成為非常普遍的解決辦法。但是，這種做法不僅用戶感受度較差，并且增加了成本，還可能會損壞系統(tǒng)，例如，使重要的數(shù)據(jù)丟失。

        那么，在內置電池設計的智能手機和平板電腦中，如何進行系統(tǒng)的硬件復位呢？本文介紹了一種硬件智能復位的解決方案，不僅可以在智能手機和平板電腦設計中實現(xiàn)雙鍵長按的智能復位，還可以實現(xiàn)在智能手機和平板電腦中流行的單鍵開／關機和復位的智能方案。

2   智能手機和平板電腦應用平臺的開／關機和復位的機制和隱患

        在當今智能手機和平板電腦的主流平臺中，通常都存在應用處理器（Application Process / Baseband, 下簡稱AP）加電源管理芯片(Power Management Unit, 下簡稱PMU)的架構，如圖1所示。
 

 圖1. 智能手機和平板電腦中AP + PMU的硬件架構

        在這種硬件架構中，在PMU上設置有一個電源開關管腳與一個機身上的一個機械開關相連（下簡稱Power_Key）。

        當手機處于關機狀態(tài)的時候，按下Power_Key將PMU的電源開關管腳拉到地，將啟動PMU上電過程：PMU啟動LDO為AP供電，同時發(fā)出硬件復位信號給AP，當AP軟件系統(tǒng)啟動完畢后，回送一個PS_HOLD信號將PMU的PS_HOLD管腳拉高，并且在工作狀態(tài)一直維持為高電平；如果在一定的時間內（Tpshold時間），AP沒有能將PS_HOLD管腳拉高，則表明AP啟動失敗，PMU自動進行下電過程。通常要求Power_Key和PS_HOLD信號之間存在一定的關系，即Power_Key信號必須保持為低電平直至PS_HOLD信號被AP驅動為高，如圖2所示。這是因為，如果發(fā)生了AP上電初始化失敗而沒能在設置的時間Tpshold內將PS_HOLD信號拉高，Power_Key仍然維持為低能夠確保PMU將被觸發(fā)再一次上電過程，從而確保上電成功。

 
圖2. PMU的Power_Key和PS_HOLD信號的時序關系

        當手機處于開機狀態(tài)的時候，按下Power_Key將PMU的電源開關管腳拉到地，PMU將發(fā)送中斷給AP，AP將根據(jù)中斷請求進行響應，將PS_HOLD管腳拉到地，PMU自動進行下電過程。

        在這個機制中，存在一個顯見的隱患：當AP的系統(tǒng)軟件卡機的時候，它將無法響應PMU發(fā)送的下電中斷請求，也就無法進行關機或復位操作了?？赡艿慕鉀Q方法如下：在PMU的PS_HOLD管腳輸入端設置一個按鍵開關S1，當S1被按下，PS_HOLD信號被拉低到地，觸發(fā)PMU的下電過程，如圖3所示。
 

 圖3. AP + PMU的硬件架構中的手工復位方案

        這個方案固然可行，但是需要將S1隱藏在不易觸發(fā)的小孔中，平時用戶是不能夠觸碰這個復位開關S1的。除了用戶感受不好和增加了設計成本與風險外，這個方案還存在一個問題——當下流行的智能手機或平板電腦的設計只有一個機械按鍵，也就是連接到PMU電源開關管腳的開關Power_Key。在這種設計中，Power_Key和S1是不能夠設置在一起的。原因如圖4所示。
 

圖4. AP + PMU的硬件架構中開／關機按鍵和復位按鍵不能合二為一的原理圖

        當系統(tǒng)處于關機狀態(tài)時，如果Power_Key被短按，PMU將觸發(fā)上電過程，當AP上電啟動完畢后將PS_HOLD信號拉高——此時不管按鍵是按下還是松開的狀態(tài)，PMU的PS_HOLD都可以在Tpshold時間內經過R2/C1/R1被及時拉高，系統(tǒng)上電成功不存在問題。當系統(tǒng)處于開機工作狀態(tài)時，如果Power_Key被按下，由于PS_HOLD信號立即被拉低，PMU將進入下電過程。按鍵釋放的時刻，系統(tǒng)可能處于下電過程或者上電過程的某個階段，最終導致有可能關機和有可能系統(tǒng)復位的不可以預測的結果，這是產品設計所不可以接受的，如圖5所示。更重要的是，采用這樣的設計，系統(tǒng)也就根本無法實現(xiàn)軟件關機功能了。所以，在這種電路設計中，Power_Key和S1是不能夠設置在一起的。
 
      
圖5. AP + PMU的硬件架構中開／關機按鍵和復位按鍵不能合二為一的時序

        為了校正PMU自身沒有專門的硬件復位輸入管腳，而需要借助PS_HOLD信號拉低進行復位的這個缺陷，新的PMU中開始引入了專門的RESET_IN的復位管腳，允許外部電路通過這個管腳硬件復位PMU。但是，這里仍然存在的問題是——PMU的規(guī)格要求開／關機按鍵和復位按鍵必須在物理上分開，不能設置在同一個按鍵上，需要將復位按鍵隱藏在機身上的檢修孔中，無法實現(xiàn)單鍵開／關機和復位的方案。

        那么，有沒有一個硬件方案能夠使開／關機按鍵和復位按鍵合二為一，實現(xiàn)智能手機和平板電腦設計中的單鍵開／關機和復位的智能方案呢？

3   智能手機和平板電腦設計中的單鍵開／關機和復位智能方案

        意法半導體STM65xx系列智能復位芯片系列有兩個或者一個輸入，可以連接設備上的兩個或者一個功能鍵。如果這兩個鍵被同時或單個鍵被按住一定時間（時間長短可以設置或根據(jù)型號進行選擇），復位芯片將向主處理器發(fā)送一個復位信號。復位芯片的兩個或者一個輸入和延時設定功能，使按鍵的“普通功能”和按鍵的“系統(tǒng)復位功能”合二為一，同時能有效地防止設備被意外復位。
在智能手機和平板電腦設計中，當下流行單鍵開／關機和復位的設計，即整個機身上只有一個機械按鍵，該按鍵盤承載了開／關機和卡機復位的功能。STM65xx智能復位芯片系列中的STM6513能夠非常圓滿地實現(xiàn)這個功能。設計者只要將STM6513的SR0和SR1輸入管腳可以連接在Power_Key上（需要雙鍵長按復位的設計，則只需要將/SR0和/SR1分別連接到不同的功能按鍵上即可），/RST2連接到AP的復位輸入管腳，而RST1連接到PMU的PS_HOLD管腳上，這樣就可以輕松地實現(xiàn)智能手機和平板電腦設計中的單鍵開／關機和復位的智能方案，如圖6所示的方案1。
 

圖6. 采用STM6513的單鍵開／關機和復位的智能方案1

        當系統(tǒng)處于關機狀態(tài)時，如果Power_Key被短按，PMU將觸發(fā)上電過程，當AP上電啟動完畢后將PS_HOLD信號拉高，系統(tǒng)上電成功不存在問題。由于設計中Power_Key被短按，不會觸發(fā)STM6513的延時復位功能（可選，例如8秒鐘）。

        當系統(tǒng)處于開機工作狀態(tài)時，如果Power_Key被按下，超過一個的時間（可選，例如8秒鐘），/RST2輸出低電平有效的復位信號給AP，同時RST1管腳輸出高電平信號。由于PMU 的PS_HOLD輸入管腳上兩個二極管組成的線與功能電路的存在，在AP進行復位的時候，STM6513輸出的RST1將保持為高（RST1的trec，可以根據(jù)需要通過STM6513的外接電容管腳進行設置），直到AP將PS_HOLD管腳驅動為高。這樣一來，在進行系統(tǒng)復位的時候，只是AP被STM6513進行了復位，而PMU實際沒有下電過程，可以確保系統(tǒng)復位成功。另外，由于系統(tǒng)復位過程中PMU沒有下電，緩存數(shù)據(jù)不丟失，還可以實現(xiàn)死機時用戶應用數(shù)據(jù)保存的功能。

　　有些設計者可能傾向于在系統(tǒng)重啟過程中，PMU也能夠進行重啟。對于這類設計者，也可以只使用STM6513的/RST2管腳連接到PMU的PS_HOLD管腳上（對于存在RESET_IN的PMU，可以連接在RESET_IN管腳上），如圖7所示的方案2。當系統(tǒng)處于開機工作狀態(tài)時，如果Power_Key被按下，超過一個的時間（可選，例如8秒鐘），/RST2輸出低電平有效的復位信號將PMU的PS_HOLD信號拉低。由于/RST2的trec為固定的（例如210ms），也就是說，/RST2在復位信號維持210ms低電平之后將后變?yōu)檩敵龈咦锠顟B(tài)，從而釋放了PMU的PS_HOLD信號，PMU的PS_HOLD將完全由AP的PS_HOLD輸出管腳的狀態(tài)控制。由于此時Power_Key仍然為低電平，PMU將被觸發(fā)再一次的上電過程，最終上電成功。
 

圖7. 采用STM6513的單鍵開／關機和復位的智能方案2

　　對于采用方案2的設計者，一個成本更優(yōu)的方案是采用意法半導體公司新推出的STM6519芯片，該芯片是單鍵延時復位芯片，復位延遲時間通過型號選擇，只有一個/RST復位輸出信號，采用UDFN6或UDFN4 1.0x1.45mm封裝，如圖8所示。
 

圖8. 采用STM6519的單鍵開／關機和復位的智能方案

        采用意法半導體STM6513或STM6519智能復位產品，都可以實現(xiàn)以下單鍵開／關機和系統(tǒng)復位過程：
在關機狀態(tài)，短按鍵，上電開機；
在開機工作狀態(tài)，在AP系統(tǒng)軟件沒有卡機的前提下，短按鍵，AP對應在顯示屏上顯示“返回？關機？”供用戶選擇——如果確認返回，則返回；如果確認關機，則AP將PS_HOLD拉低，PMU進入下電過程，最后關機。在AP系統(tǒng)軟件卡機的情況下，長按鍵（可選，例如8秒鐘），系統(tǒng)進行硬件復位，重啟開機。

4　小結

        本文首先介紹了智能手機和平板電腦平臺上AP+PMU硬件架構的復位機制和存在的隱患，然后闡述了采用意法半導體STM6513和STM6519智能復位芯片，實現(xiàn)雙鍵長按復位，特別是在智能手機和平板電腦中流行的單鍵開／關機和復位的智能方案。
意法半導體公司STM65xx智能復位芯片系列使產品設計人員能夠去除傳統(tǒng)復位鍵以及機身上隱藏復位鍵的檢修孔，不僅節(jié)省了成本，降低了設計風險，并且提升了用戶使用滿意度。

參考文獻

[1] Data sheet of ‘STM6513 Dual push-button Smart Reset with dual reset outputs and user-selectable setup delay’, Rev2.0, Jun 2010; http://www.st.com/internet/analog/product/241463.jsp;