為便攜式設(shè)計(jì)選擇最佳的電源管理接口

2004年5月B版

　　便攜式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者要面對(duì)始終存在的新功能添加和功耗降低這兩方面相互沖突的要求。一方面，用戶需要手機(jī)能增加嵌入式攝像頭、附加照明和藍(lán)牙接口等新功能。而另一方面，他們希望便攜式系統(tǒng)能連續(xù)工作一天以上而無(wú)需重新充電。為了讓用戶滿意，設(shè)計(jì)者必須集成系統(tǒng)電源管理元件，這些元件將添加更高的智能和系統(tǒng)通信，以改善總的效率并延長(zhǎng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。

　　對(duì)便攜式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，上述問(wèn)題就意味著他們必須找出一種方法，將電源管理控制的新功能添加到設(shè)計(jì)中，而不至于增加電路板的復(fù)雜性。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們必須限制電源管理器件所用的引腳數(shù)，同時(shí)擴(kuò)展其產(chǎn)品的功能集，保證不將微控制器上的所有GPIO引腳用光。

多種選擇

　　設(shè)計(jì)者可以增強(qiáng)其產(chǎn)品的功能，同時(shí)還滿足功率和占用面積的目標(biāo)，途徑是利用各種電源管理功能的不同接口。他們可以從3種基本的接口類型中選出一種。從硬件和軟件的角度看，最簡(jiǎn)單的辦法就是并行總線。這種接口由獨(dú)立的并行控制線構(gòu)成，其最簡(jiǎn)化的和典型的形式是為每個(gè)電源元件的使能端提供一根GPIO線。

　　雖然并行總線非常有效，但在可擴(kuò)展性方面存在一定的限制。首要的一點(diǎn)是，在所有的接口選擇中，它需要占用的微控制器和外設(shè)引腳更多。此外，它需要占用比其他選擇多得多的PCB面積，以布置各獨(dú)立連接線，這在空間狹窄的便攜式應(yīng)用中是一個(gè)要著重考慮的因素。

　　最后一點(diǎn)，很多便攜式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如開(kāi)合式手機(jī)和PDA，使用柔性的印刷電路板將主板PCB與子板連接到一起。子板上的許多功能，如閃爍光和各種顯示可能需要單獨(dú)的控制線。但要在柔性PCB上完成大量的走線，會(huì)讓成本大為增加，且對(duì)系統(tǒng)可靠性造成不利影響。

串行方法

　　另外一種流行的方法是采用串行總線來(lái)控制電源管理功能。普遍采用的串行接口，如I2C總線和SMBus，多年以來(lái)就已經(jīng)廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)計(jì)，它們得到種類繁多的、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的硬件和軟件的支持。很多筆記本電腦和PDA的設(shè)計(jì)者采用串行方法 ，因?yàn)檫@些流行的串行架構(gòu)只需一條總線就可以支持多種從設(shè)備，簡(jiǎn)化了到多個(gè)外設(shè)的通信問(wèn)題。

　　然而，使用串行總線的設(shè)計(jì)者，特別是研發(fā)尺寸很小的手持或者便攜式設(shè)備的人員，必須作出很多困難的折衷。雖然串行總線所用的連線數(shù)目要比并行總線的少，但在空間上的優(yōu)勢(shì)是以速度的損失為代價(jià)的。首先，數(shù)據(jù)吞吐率很少達(dá)到500kbps以上。其次，串行架構(gòu)所用的定時(shí)機(jī)制更為復(fù)雜，迫使設(shè)計(jì)者不得不采用價(jià)格更高的硬件，而且在處理方面，也會(huì)增加核心微控制器和從器件的成本。第三，這些串行總線最少還需要為數(shù)據(jù)、時(shí)鐘以及接地各留出一根線，這對(duì)空間有限的便攜式設(shè)備來(lái)說(shuō)，是需要考慮的主要問(wèn)題之一。

單線接口

　　第三種方法(也是三種選擇中最新的一種)是單線總線。便攜式設(shè)計(jì)中的很多控制功能無(wú)需I2C等串行總線所具備的高級(jí)定時(shí)同步和尋址能力，或者I2C那樣復(fù)雜的設(shè)計(jì)。單線總線替代法提供了一種通過(guò)單線連接提供控制信號(hào)和信令的接口協(xié)議，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和降低成本。

　　Advanced AnalogicTechnologies公司的S2Cwire單線總線對(duì)定時(shí)要求大為放寬。微控制器的運(yùn)行可快可慢，而從設(shè)備無(wú)需本地時(shí)鐘或者精密的主時(shí)鐘。從而使得硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)更為簡(jiǎn)單。為了讓電源管理功能具有更高的智能度，S2Cwire架構(gòu)通過(guò)對(duì)時(shí)鐘沿的計(jì)數(shù)來(lái)運(yùn)行。這種方法增加一個(gè)計(jì)數(shù)器，它通過(guò)裝在從器件中的ROM實(shí)現(xiàn)各種編程功能，S2Cwire并不提供I2C方法所具有的尋址和數(shù)據(jù)回讀等功能。但在機(jī)內(nèi)不帶I2C的便攜式系統(tǒng)(如手機(jī)、PDA和數(shù)碼像機(jī))應(yīng)用方面，它為大批量的消費(fèi)產(chǎn)品提供很高的集成化。

　　單線接口在電源管理應(yīng)用方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如，設(shè)計(jì)者可以利用白光LED來(lái)對(duì)彩色TFT LCD進(jìn)行背光照明，傳統(tǒng)上，他們通過(guò)來(lái)自系統(tǒng)微控制器的I/O線對(duì)為白光LED供電的電荷泵或者DC/DC 升壓變換器進(jìn)行控制，控制信號(hào)是加到電源芯片的使能端的脈沖調(diào)寬(PWM)信號(hào)。LED的亮度一般通過(guò)改變占空比來(lái)進(jìn)行控制，讓變換器開(kāi)啟或關(guān)閉。采用單線式接口后，設(shè)計(jì)者就可以省去PWM控制信號(hào)而提供可編程的對(duì)數(shù)亮度設(shè)置。這種方法不僅在設(shè)計(jì)上更為簡(jiǎn)單，而且與傳統(tǒng)的基于PWM的硬件結(jié)構(gòu)相比，它還可以通過(guò)軟件對(duì)范圍更寬的亮度級(jí)實(shí)現(xiàn)更好的控制。

　　單線接口也開(kāi)創(chuàng)了嶄新的電源管理方法。在便攜式設(shè)備市場(chǎng)上，設(shè)計(jì)目標(biāo)是縮小占用面積和高效率。不過(guò)，由于在便攜式設(shè)備中不斷引入的新功能，仍然以GPIO線作為其控制的首選方法。在越來(lái)越多的情況下，便攜式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者無(wú)法獲得實(shí)現(xiàn)這些新功能所需的GPIO資源。

　　舉例來(lái)說(shuō)，將一個(gè)單線接口與多個(gè)獨(dú)立的負(fù)載開(kāi)關(guān)組合起來(lái)，則一組I/O擴(kuò)展器負(fù)載開(kāi)關(guān)可以讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)者使用最少工作量和成本即能擴(kuò)展便攜式系統(tǒng)的I/O功能。設(shè)計(jì)者不必使用分立的MOSFET和幾根控制線來(lái)管理每項(xiàng)功能，而是能夠通過(guò)一根控制線來(lái)控制5種功能。這樣就制成一種尺寸為2mm