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基于片上狀態(tài)機(jī)的智能電源管理單元設(shè)計(jì)(圖)

作者: 時(shí)間:2007-10-30 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

AT73C203是美國(guó)愛(ài)特梅爾公司針對(duì)便攜式電子產(chǎn)品推出的高集成度芯片,適用于4.07~4.20V的各類鋰離子電池,提供多種輸入源選擇以及多路的DC/DC可編程變換輸出。

圖1 使用AT73C203作為核心的DSC原型

AT73C203的特點(diǎn)


(1)四路輸入源選擇,包括一節(jié)內(nèi)部鋰離子電池,一節(jié)外部可拆卸鋰離子電池,外接5V,以及USB-HUB。
(2)內(nèi)部機(jī)能在沒(méi)有任何外部MCU介入的情況下單獨(dú)進(jìn)行上電順序控制,輸入通道切換,安全關(guān)斷設(shè)備,以及USB預(yù)充電,快充電等操作。
(3)三路降壓DC/DC以及一路升壓降壓DC/DC級(jí)聯(lián) LDO的大電流變換器能夠?yàn)樨?fù)載提供足夠的支持;三路均提供最高可達(dá)1.2A的輸出能力,且電壓可編程。
(4)兩個(gè)可配置的鋰離子電池充電器,提供預(yù)充電,快充電和滿充保持模式,可以根據(jù)不同型號(hào)的鋰離子電池調(diào)整不同的恒流恒壓充電算法。
(5)片上A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)監(jiān)控包括電池溫度,硅片溫度,DC/DC輸出終端以及輸入源端的電壓參數(shù)并提供過(guò)壓和欠壓保護(hù)與硬件復(fù)位。
(6)片上ISO7816模塊,SIM/USIM兼容接口。
(7)集成的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)FIFO。
(8)通用的SPI接口便于和MCU之間的通信及片上寄存器堆的訪問(wèn)。
(9)上電復(fù)位電路,針對(duì)PXA250/PXA255等類似的32位架構(gòu)處理器,提供額外的系統(tǒng)級(jí)順序復(fù)位信號(hào),最大程度簡(jiǎn)化外圍上電邏輯電路。
(10)高精度低溫漂內(nèi)部振蕩器。
(11)高精度帶隙電壓基準(zhǔn)。
(12)極低的電源消耗,關(guān)斷模式下,僅僅60μA的工作電流。
(13)片上恒流DAC,為熱敏電阻提供偏置,更大程度地提高安全性。
(14)外接電源充電和USB-HUB充電可供選擇。
(15)額外的可編程GPIO用于LED驅(qū)動(dòng)和顯示控制,節(jié)省了MCU的I/O引腳?!?BR>(16)MCU可控的充電算法。
(17)TF-BGA100的纖小封裝使得最終產(chǎn)品小巧輕便。


內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理


AT73C203的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 AT73C203結(jié)構(gòu)框圖


1 輸入源通道切換控制器


AT73C203具有多路輸入源可供選擇,除去一節(jié)內(nèi)部鋰離子電池作為系統(tǒng)固有供給外,外部可拆卸鋰電池,外接適配電源和USB-HUB等三種輸入源均可在必要時(shí)接入供電系統(tǒng),所有輸入源通過(guò)外部背靠背的MOSFET對(duì)相互隔離。同一時(shí)刻,在源通道切換控制器的調(diào)度下選通一路作為整個(gè)系統(tǒng)的電源供給,切換控制器根據(jù)內(nèi)部?jī)?yōu)先級(jí)高低選擇當(dāng)前有效的輸入源,確保負(fù)載供電以及機(jī)控制在切換瞬間的連續(xù)性和穩(wěn)定性。


2 A/D轉(zhuǎn)換器


多輸入復(fù)用A/D轉(zhuǎn)換器用于系統(tǒng)電壓的監(jiān)控,包括各路DC/DC輸出終端以及輸入源端的電壓參數(shù),和芯片本身溫度參數(shù)等均配置了對(duì)應(yīng)的過(guò)壓/欠壓/中斷/屏蔽/復(fù)位等寄存器,通過(guò)硬件門限比較電路配合用戶軟件可以靈活地應(yīng)對(duì)工作時(shí)可能出現(xiàn)的各種突發(fā)故障,從而保護(hù)系統(tǒng)負(fù)載,并快速處理現(xiàn)場(chǎng)。


3 數(shù)字控制邏輯


數(shù)字控制部分提供了芯片與外部MCU的SPI接口以及對(duì)內(nèi)部其他的協(xié)調(diào)和,除了給出必要的輸入啟動(dòng)/關(guān)斷/系統(tǒng)時(shí)鐘、輸出中斷請(qǐng)求和通用I/O控制信號(hào)外,這部分還提供了不同模擬數(shù)字電路之間的電平轉(zhuǎn)換功能,防止了由于電平不匹配造成的模塊間電流泄露。針對(duì)不同系統(tǒng)負(fù)載的輸入電壓參數(shù)要求,數(shù)字控制邏輯可以通過(guò)外部引腳來(lái)設(shè)定當(dāng)前DC/DC的輸出工作電壓:RAIL 1可配置為1.2V/1.75V,而RAIL 2可配置在1.8V/2.5V。


4 鋰電池充電器


兩個(gè)可供使用的鋰電池充電器分別對(duì)應(yīng)了系統(tǒng)內(nèi)部鋰離子電池以及外部可拆卸鋰電池的補(bǔ)給需要。充電器除了狀態(tài)機(jī)可控外,同時(shí)還提供了涓流恒流預(yù)充,軟件控制快速恒流充電以及滿充保持/結(jié)束充電等模式。針對(duì)不同技術(shù)參數(shù)的鋰離子電池,為用戶提供了靈活的解決方案,并在溫度監(jiān)控機(jī)制和安全定時(shí)器的保護(hù)下確保充電的安全性。


5 ETS TS 102 221兼容


配置了獨(dú)立電壓可編程LDO作為電源供給的SIM接口,完全符合ISO/IEC 7816標(biāo)準(zhǔn)下的ETSI TS 102 221技術(shù)規(guī)范,同時(shí)支持T=0和T=1協(xié)議,集成的兩個(gè)16Byte FIFO和對(duì)應(yīng)的4位指針節(jié)省了MCU資源,包括差錯(cuò)校驗(yàn)、位流控制、數(shù)據(jù)超時(shí)、重發(fā)機(jī)制、中斷發(fā)生、通信速率及錯(cuò)誤數(shù)目報(bào)告等在內(nèi)的功能都有詳細(xì)對(duì)應(yīng)的寄存器映射,通過(guò)適當(dāng)簡(jiǎn)便的配置即可快速地應(yīng)用到具有SIM/ USIM需求的系統(tǒng)中。


6 多路DC/DC變換器


四路變換器均與片上的900kHz高精振蕩源相連,振蕩器提供的各個(gè)分布時(shí)鐘經(jīng)過(guò)移相處理后可有效地防止同步開(kāi)關(guān)現(xiàn)象的發(fā)生。


工作在1.2A、1.2V/1.75V的同步降壓穩(wěn)壓器1定位于應(yīng)用處理器內(nèi)核以及周邊ASIC或SOC等器件,1.2A、1.8V/2.5V同步降壓穩(wěn)壓器2則適合為板上FLASH、SDRAM以及外擴(kuò)CF、MMC和Memory Stick等存儲(chǔ)芯片提供支持,520mA、3.3V的升壓降壓DC/DC級(jí)聯(lián)LDO變換器3可以作為音頻編解碼電路,點(diǎn)陣LCD顯示等模塊的電源供應(yīng)。額外的一路1.2A、0.9V的同步降壓穩(wěn)壓器4則迎合了深亞微米系統(tǒng)內(nèi)核更低電壓和大電流輸入的要求。

工作模式


為了應(yīng)對(duì)延長(zhǎng)便攜式設(shè)備待機(jī)時(shí)間的挑戰(zhàn),時(shí)有以下工作模式可供切換。


1 普通工作模式


在系統(tǒng)某些部分需要正常供電或進(jìn)行電源管理的情況下,芯片工作在此模式。包括輸入源通道切換控制器, DC/DC變換器,鋰離子電池充電器等片上資源通過(guò)一個(gè)由128個(gè)寄存器組成的寄存器堆進(jìn)行監(jiān)管和控制,在某些系統(tǒng)負(fù)載處于閑置狀態(tài)或片上部分資源暫時(shí)與當(dāng)前工作現(xiàn)場(chǎng)無(wú)關(guān)時(shí),需要通過(guò)設(shè)置其映射的寄存器或寄存器組來(lái)將其關(guān)斷,以降低系統(tǒng)平均功耗


2 關(guān)斷待機(jī)模式


在系統(tǒng)的各個(gè)部分均處于非工作狀態(tài)時(shí),整個(gè)系統(tǒng)中將僅有電源管理芯片時(shí)刻處于待命狀態(tài),此時(shí)芯片工作在關(guān)斷模式。在這個(gè)模式下,除了輸入源控制器、部分片上數(shù)字控制邏輯、上電復(fù)位電路以及內(nèi)部基準(zhǔn)穩(wěn)壓器和10kHz振蕩器以外的所有都將被關(guān)斷,而在關(guān)斷模式中始終處于工作狀態(tài)的各個(gè)單元都使用了獨(dú)特的芯片工藝進(jìn)行設(shè)計(jì),最大限度地減小其工作電流,從而保證了當(dāng)使用一塊容量為600mAh的鋰離子電池為系統(tǒng)供電時(shí),電池可以在此模式連續(xù)待機(jī)三個(gè)月。


3 USB單獨(dú)工作模式


為了在通信的同時(shí)為電池補(bǔ)給電力, USB單獨(dú)工作模式為設(shè)計(jì)者提供了充電功能,通過(guò)對(duì)電池當(dāng)前剩余電量的估計(jì)和判斷能夠進(jìn)入充電的不同階段。當(dāng)電池處于溫度適當(dāng)且電壓較低(如3.8V)的情況下,預(yù)充機(jī)制將被啟動(dòng),由相應(yīng)的安全充電定時(shí)器來(lái)對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,如若在計(jì)時(shí)器溢出時(shí)電池的電壓仍然不能達(dá)到正??斐錉顟B(tài),則會(huì)被判為電池故障,由此保證系統(tǒng)安全性。


除此之外,在外部MCU處于睡眠的狀態(tài)下,芯片可以通過(guò)訪問(wèn)對(duì)應(yīng)的模式寄存器,配合外部的CTN熱敏電阻,將鋰離子電池充飽至4.1V。以上所提到的關(guān)于USB的單獨(dú)工作模式都是以芯片內(nèi)部的優(yōu)化狀態(tài)機(jī)作為核心,也是狀態(tài)機(jī)控制流程中的一個(gè)組成部分。圖3是USB 睡眠充電模式的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,芯片以集成的方式對(duì)系統(tǒng)的電源進(jìn)行管理,這樣的管理方式有別于其他帶有片上MCU硬核的ASSP,在節(jié)省功耗的前提下也不失靈活性,當(dāng)應(yīng)用需要外部動(dòng)態(tài)配置時(shí),可以由用戶固件進(jìn)行控制,通用的SPI接口和片上寄存器堆的實(shí)時(shí)訪問(wèn)幫助用戶定制自己的設(shè)計(jì)。

圖3 USB睡眠充電模式的狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換流程

應(yīng)用設(shè)計(jì)技巧


輸入源通道切換控制器的隔離:輸入源不僅需要通過(guò)開(kāi)關(guān)管連接到通道切換控制器,而且彼此必須相互隔離,使用背靠背的成對(duì)MOSFET可以借助管子的體二極管來(lái)達(dá)到通道隔離的目的,同時(shí)低RDS(ON)的MOSFET有助于提高電源效率,減少不必要的功率損耗對(duì)于電感式同步降壓穩(wěn)壓器,設(shè)計(jì)時(shí)選用的開(kāi)關(guān)管應(yīng)當(dāng)具有較小柵極載荷特性,降低轉(zhuǎn)換的開(kāi)關(guān)損耗,提高開(kāi)關(guān)效率。由于DC/DC的反饋電路提供了集成的方案,對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)不再需要過(guò)多考慮電源的回路增益 (穿越頻率)以及轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定問(wèn)題,同時(shí)省去了復(fù)雜的回路零點(diǎn)與極點(diǎn)的計(jì)算和配置,通過(guò)選用較少的幾個(gè)外圍器件就能留有足夠的相位余量,達(dá)到穩(wěn)定可靠的目的。另外使用低ESR的陶瓷電容更有助于降低輸出紋波,降低噪聲。


值得一提的是,如果在設(shè)計(jì)中需要額外的一路3.6V電壓作為供給,我們可以在3.3V的升壓降壓DC/DC級(jí)聯(lián)LDO變換器3上動(dòng)一些腦筋。在系統(tǒng)正常啟動(dòng)的前提下,可以通過(guò)位于LDO之前的升壓/降壓DC/DC進(jìn)行電源補(bǔ)給,但需要注意的是負(fù)載不能過(guò)重,以及調(diào)整適當(dāng)?shù)纳想婍樞?,防止在LDO輸入端的電壓跌落導(dǎo)致其工作失效。在系統(tǒng)需要外部實(shí)時(shí)時(shí)鐘電源供給時(shí),一種簡(jiǎn)潔的思路是可以直接借助于內(nèi)部2.5V電壓基準(zhǔn),因?yàn)樵谙到y(tǒng)關(guān)斷的情況下,這一部分仍然可以服務(wù)于不間斷的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。


板級(jí)設(shè)計(jì)方面則要注意芯片電源地的相對(duì)位置,盡量使用獨(dú)立的電源和地平面以保證整個(gè)電源模塊的電源完整性(PI),最大程度地降低同步開(kāi)關(guān)噪聲和阻抗不連續(xù)造成的系統(tǒng)穩(wěn)定性缺失。


測(cè)試與評(píng)估


圖4~圖6是我們編寫(xiě)的虛擬儀器評(píng)估面板,用來(lái)對(duì)整個(gè)電源管理系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估。

圖4 VI監(jiān)控面板

圖5 VI充電面板

圖6 VI SIM 接口控制面板


包括當(dāng)前輸入源配置、USB工作狀態(tài)、GPIO控制、正常工作顯示,過(guò)壓/欠壓/中斷/屏蔽/復(fù)位等系統(tǒng)監(jiān)控寄存器配置,DAC偏流控制,各路電壓調(diào)整(見(jiàn)圖4),充電源選擇,充電狀態(tài)切換,電流大小,安全定時(shí)器以及看門狗狀態(tài)(見(jiàn)圖5),SIM卡電源,時(shí)鐘,波特率,及相應(yīng)的屏蔽/狀態(tài)/控制/數(shù)據(jù)/指針等寄存器(見(jiàn)圖6)在內(nèi)的完整系統(tǒng)資源都可以得到測(cè)試和評(píng)估。


圖8給出了電池輸入4.0V,負(fù)載電流為600mA時(shí)1.2V輸出端的瞬態(tài)響應(yīng)和紋波情況。

圖7 RAIL1 輸出瞬態(tài)響應(yīng)及紋波


三路不同輸出電壓的同步降壓穩(wěn)壓器在各自帶動(dòng)600mA負(fù)載時(shí) (輸入電池4.0V),系統(tǒng)的DC/DC轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到85%以上,包括其他系統(tǒng)資源在內(nèi)的整體工作效率視具體應(yīng)用略有差異。靈活地使用系統(tǒng)工作模式,以及狀態(tài)機(jī)機(jī)制能有效延長(zhǎng)電池的工作時(shí)間。



評(píng)論


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