《電子技術(shù)應(yīng)用》
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雙路DC/DC TPS62402應(yīng)用研究
2014年微型機(jī)與應(yīng)用第15期
王全振
廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司,廣東 廣州
摘要: 針對(duì)基于S3C6410嵌入式系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)問(wèn)題,應(yīng)用TPS62402芯片設(shè)計(jì)了可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)核心供電電壓的超低功耗核心供電單元。給出核心單元電源部分的原理圖和印制板設(shè)計(jì)要點(diǎn)及TPS62402電壓調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)代碼。闡述了動(dòng)態(tài)電壓及頻率調(diào)節(jié)(DVFS)與功耗降低的原理關(guān)系。
關(guān)鍵詞: TPS62402 S3C6410 低功耗 DVFS
Abstract:
Key words :

  摘  要: 針對(duì)基于S3C6410嵌入式系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)問(wèn)題,應(yīng)用TPS62402芯片設(shè)計(jì)了可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)核心供電電壓的超低功耗核心供電單元。給出核心單元電源部分的原理圖和印制板設(shè)計(jì)要點(diǎn)及TPS62402電壓調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)代碼。闡述了動(dòng)態(tài)電壓及頻率調(diào)節(jié)(DVFS)與功耗降低的原理關(guān)系。

  關(guān)鍵詞: TPS62402;S3C6410;低功耗;DVFS

  隨著電子行業(yè)的進(jìn)步,手持設(shè)備發(fā)展越來(lái)越迅速,CPU頻率不斷提高,性能不斷增強(qiáng)。目前制約手持設(shè)備最大的瓶頸是供電問(wèn)題,手持設(shè)備有體積要求,因此電池的體積也不能太大,體積小限制了電池的容量也不可能做大,即所謂的“電池鴻溝”[1]。在電池容量一定的前提下,手持設(shè)備的低功耗設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。手持設(shè)備低功耗[2]設(shè)計(jì)首先在硬件方面要選擇具有低功耗特性的CPU,其次在軟件調(diào)節(jié)下才能實(shí)現(xiàn)最佳效果。在此背景下DVFS[3]應(yīng)運(yùn)而生。DVFS[4]即動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整[5],是根據(jù)芯片所運(yùn)行的應(yīng)用程序?qū)τ?jì)算能力的不同需要,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)芯片的運(yùn)行頻率和電壓。

  S3C6410[6]芯片是三星公司生產(chǎn)針對(duì)嵌入式低功耗系統(tǒng)的高性能CPU,廣泛應(yīng)用于工業(yè)及民用領(lǐng)域,該芯片高性能的ARM核及優(yōu)化的外圍模塊特別適合做手持設(shè)備。S3C6410[8]芯片支持DVFS,一般在非民用手機(jī)的手持設(shè)備上不會(huì)選用價(jià)格昂貴的集成電源管理芯片,本文選用的TPS62402[9]芯片是TI公司生產(chǎn)的一款具有雙路輸出的DC/DC的電源芯片,該芯片具有的EasyScaleTM接口,可以方便地實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。

1 硬件設(shè)計(jì)

  1.1 原理圖設(shè)計(jì)

  TPS62402含有兩路DC/DC轉(zhuǎn)換器,OUT1輸出電流為400 mA,OUT2輸出電流為600 mA,轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)95%,2.5 V~6 V的電壓輸入范圍非常適合手持設(shè)備采用電池來(lái)供電,OUT1(DEF_1為低時(shí))輸出電壓范圍以0.025 V為步進(jìn)從0.8 V~1.575 V,OUT2固定為3.3 V輸出,其DEF_1管腳設(shè)定OUT1初始輸出電壓值,當(dāng)DEF_1為高電平時(shí)OUT1輸出1.8 V,當(dāng)DEF_1為低電平時(shí)輸出1.2 V。本文實(shí)際使用電路如圖1所示,其中Vin為電源輸入;EN1和EN2為OUT1和OUT2使能管腳,OUT2設(shè)置為系統(tǒng)上電即開(kāi)始不間斷工作,OUT1連接至S3C6410的PWRRGTON管腳,以便在低功耗模式時(shí)關(guān)閉OUT1電源輸出;DATA_SET為設(shè)置OUT1電壓值的通信控制管腳;SW1和FB1搭配2.2 μH電感及10 μF電容組成OUT1,DEF_1連接至地設(shè)置上電OUT1初始電壓為1.2 V;SW2和ADJ2搭配2.2 μH電感及10 μF電容組成OUT2,固定輸出電壓3.3 V。

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  1.2 印制板設(shè)計(jì)要點(diǎn)

  電路中使用的兩個(gè)電感應(yīng)該選擇屏蔽式的功率電感,并至少留出50%的電流余量,例如L3應(yīng)選擇最小可通過(guò)900 mA的電感。布局時(shí),C83、C84應(yīng)盡可能靠近TPS62402,電源的輸出端要增加線寬或采用覆銅方式。

2 軟件設(shè)計(jì)

  2.1 接口描述

  TPS62402具有EasyScale接口,即一線式串行動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整接口,官方定義為:One-Pin Serial Interface for Dynamic Output Voltage Adjustment。

  EasyScale接口以方波傳輸數(shù)據(jù),其1和0以高低電平占一個(gè)周期的時(shí)間來(lái)定義:當(dāng)高電平時(shí)間至少大于兩倍的低電平時(shí)間則為1;反之低電平時(shí)間至少大于兩倍的高電平時(shí)間則為0。每一次發(fā)送數(shù)據(jù)為16 bit,高8 bit為地址數(shù)據(jù),低8 bit為電壓數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)格式如表1所示。

002.jpg

  高8 bit DA0~DA7固定為0x4E;低8 bit中的RFA為請(qǐng)求答復(fù)設(shè)定,如果置1則TPS62402收到數(shù)據(jù)后會(huì)發(fā)出答復(fù)信號(hào);當(dāng)DEF_1為低時(shí),A1和A0設(shè)置為00;D4~D0為電壓值,對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

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  2.2 驅(qū)動(dòng)流程及代碼

  DVFS技術(shù)需要軟硬件共同配合才能完成,常規(guī)流程包括以下5步。

 ?。?)采集與系統(tǒng)負(fù)載有關(guān)的信號(hào),計(jì)算當(dāng)前的系統(tǒng)負(fù)載。

 ?。?)根據(jù)系統(tǒng)的當(dāng)前負(fù)載,預(yù)測(cè)系統(tǒng)在下一時(shí)間段需要的性能。

 ?。?)將預(yù)測(cè)的性能轉(zhuǎn)換成需要的頻率,從而調(diào)整芯片的時(shí)鐘設(shè)置。

 ?。?)根據(jù)新的頻率計(jì)算相應(yīng)的電壓。

 ?。?)通知電源管理模塊調(diào)整CPU的電壓。

  在調(diào)整電壓和頻率時(shí)要特別注意順序,因?yàn)轭l率越高需要的電壓也越高,所以當(dāng)頻率從高到低時(shí)要先調(diào)整頻率再降低電壓;頻率從低到高時(shí)先升高電壓再調(diào)整頻率。另外電壓及頻率調(diào)整的頻率不能過(guò)高,否則反而會(huì)增加系統(tǒng)能量消耗。S3C6410的核心頻率設(shè)置為9擋,電壓4擋,對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

004.jpg

  本系統(tǒng)中使用S3C6410的GPK13管腳來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù),Linux源碼中已經(jīng)包含DVFS,TPS62402驅(qū)動(dòng)的相關(guān)函數(shù)及功能介紹如下。

  int set_power(unsigned int freq)//Linux系統(tǒng)接口函數(shù),

  //該函數(shù)根據(jù)輸入的形參(需要設(shè)定的頻率)來(lái)設(shè)定電壓值

  static int find_voltage(int freq)

  //根據(jù)給定的頻率值找到對(duì)應(yīng)的電壓值

  {

  int index=0;

  if(freq>frequency_match[0][0]){

  printk(KERN_ERR"frequecy is over then support frequency\n");

  return 0;

  }

  for(index=0;index<ARRAY_SIZE(frequency_match);index++){

  if(freq>=frequency_match[index][0])

  return index;

  }

  printk("Cannot find matched voltage on table\n");

  return 0;

  }

  void SendAddr_Data(int data)//發(fā)送對(duì)應(yīng)的電壓值數(shù)據(jù)

  static const unsigned int voltage_table[32]

  //包含電壓值與發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)組

  static const unsigned int frequency_match[][2]

  //包含頻率與電壓關(guān)系的二維數(shù)組

  void setbit(int i)//發(fā)送1 bit數(shù)據(jù)

  {

  if(1==i)

  {

  gpio_set_value(S3C64XX_GPK(13),0);

  udelay(2);

  gpio_set_value(S3C64XX_GPK(13),1);

  udelay(6);

  }

  else if(0==i)

  {

  gpio_set_value(S3C64XX_GPK(13),0);

  udelay(6);

  gpio_set_value(S3C64XX_GPK(13),1);

  udelay(2);

  }

  else

  {

  printk("ERROR:setbit error!\n");

  }

  }

  setbit()函數(shù)中的udelay()函數(shù)為微秒延時(shí)函數(shù),延時(shí)高低電平時(shí)間比為3,滿(mǎn)足至少大于兩倍關(guān)系。

  實(shí)際電路首先測(cè)試TPS62402輸出電壓與設(shè)定值的偏差,使用萬(wàn)用表測(cè)試PCB板上OUT1經(jīng)過(guò)電容以后的電壓,通過(guò)對(duì)表4的觀察可以發(fā)現(xiàn)TPS62402的輸出特別準(zhǔn)確。在實(shí)際使用中,對(duì)比使用DVFS前后的功率消耗,同一設(shè)備,同一塊電池,在同等條件下手持設(shè)備使用時(shí)間增加25%左右。

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  參考文獻(xiàn)

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  [8] Samsung. S3C6410 datasheet[EB/OL].  www.samsung.com

  [9] TI. TPS62402datasheet[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tps62402.pdf


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