摘 要： 研究了當(dāng)前手持設(shè)備" title="手持設(shè)備">手持設(shè)備中電源系統(tǒng)" title="電源系統(tǒng)">電源系統(tǒng)設(shè)計的常用設(shè)計方案，分析了它們的優(yōu)缺點，在此基礎(chǔ)上提出了一種優(yōu)化設(shè)計方案，并結(jié)合一個具體手持設(shè)備的電源系統(tǒng)需求給出了實現(xiàn)方案。
關(guān)鍵詞： 電源系統(tǒng) 動態(tài)電源管理" title="電源管理">電源管理 CPLD
?
隨著手持設(shè)備的普及，基于手持設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛，用戶對其性能也提出了更高的要求。由于手持設(shè)備需要具有很強的便攜性，因此通常采用體積較小的鋰電池供電。鋰電池容量有限，如何盡量延長系統(tǒng)的正常運行時間成為手持設(shè)備研究領(lǐng)域的一個主要方向[1][2][3][4]。作為其核心技術(shù)——電源系統(tǒng)的設(shè)計是整個系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。另一方面，電源系統(tǒng)的合理性，將會直接影響到整個系統(tǒng)架構(gòu)、產(chǎn)品特性組合、芯片選型、軟件的設(shè)計以及功率分配等。
目前手持設(shè)備中的電源系統(tǒng)有采用分布式的設(shè)計方案，也有采用集中式的設(shè)計方案。
分布式設(shè)計方案，就是利用許多功能獨立的電源轉(zhuǎn)換芯片搭建整個電源系統(tǒng)。這種方案實現(xiàn)起來較為靈活，但集成度不高，通常需要復(fù)雜的外圍器件配合才能支撐系統(tǒng)的正常工作，此類電源系統(tǒng)很少提供管理控制接口，因此電源管理實現(xiàn)難度較大。
集中式設(shè)計方案正好相反，該方案一般采用單芯片設(shè)計思路，芯片集成了多路線性穩(wěn)壓器和開關(guān)電源，且多采用簡單的串行通信接口，如I2C[5]、SPI等，來對每一路電源進(jìn)行控制，適合于個人數(shù)字助理等功能相對簡單通用的設(shè)備。集中式電源系統(tǒng)的優(yōu)點是集成度高，外圍器件少，能夠滿足產(chǎn)品尺寸要求小的設(shè)計。但是，這種方案對芯片的依賴性很強，且靈活性不大，不具有通用性。
1 設(shè)計思想
為了設(shè)計出可靠的、低功耗的和具有一定通用性的電源系統(tǒng)，本文在深入研究上述兩種電源系統(tǒng)設(shè)計" title="電源系統(tǒng)設(shè)計">電源系統(tǒng)設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，對比分析了兩者的優(yōu)缺點，提出了一種綜合性設(shè)計方案，通過小容量的可編程邏輯器件的應(yīng)用來控制各個模塊的行為，從而對電源系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。
(1)對系統(tǒng)的電源需求進(jìn)行分析，按照功能的不同分別采用分布式供電和集中式供電。
(2)使用可編程邏輯器件來控制各電路電源的打開、關(guān)閉和模式選擇，為電源管理提供統(tǒng)一的硬件接口。設(shè)計方案的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
一般而言，手持設(shè)備中的電源系統(tǒng)通常可以劃分為核心電源、LCD電源、充電電路" title="充電電路">充電電路、外圍接口與模塊部分。
核心電源，即最小系統(tǒng)所需要的電源，主要由CPU核心電源、CPU的IO電源、存儲器的電源和總線驅(qū)動電源組成。CPU核心電源一般要求在1～2V之間，所以一般采用高效率的降壓式開關(guān)電源供電。剩下的部分一般都需要3.3V的電源，所以可采用統(tǒng)一供電方式，即使用一片高效率、低功耗的降壓式開關(guān)電源來供電，或者使用低壓差線性穩(wěn)壓電源來供電。對該部分電源模塊的控制可使用CPU和CPLD來完成。
LCD是目前手持設(shè)備中非常常見的配置，對于LCD的驅(qū)動通常需要多路正負(fù)電壓供電，同時配合以背光電源，所以LCD電源模塊的設(shè)計相對來說是比較獨立的。當(dāng)前，很多公司都針對LCD電源模塊，設(shè)計出了單芯片解決方法，可以同時供給LCD所需要的各種電源，所以選用集成了多路電源的芯片來實現(xiàn)。對該部分電源模塊的控制可以使用CPLD來完成，背光亮度的調(diào)節(jié)一般使用脈寬調(diào)制信號，通過改變信號的占空比來調(diào)節(jié)背光亮度。
鋰電池能量高、儲存能量密度大、充電速度較快、漏電量極少，且沒有“記憶效應(yīng)”。所以，目前它的應(yīng)用非常廣泛。鋰電池在充電過程中，電池的電壓和充電電流都會隨充電時間而發(fā)生變化，所以設(shè)計充電電路時要考慮到它的特性。目前已經(jīng)有很多智能化的充電芯片可以滿足系統(tǒng)的要求，充電指示信號可以經(jīng)過CPLD處理后作為CPU的一個中斷源，從而監(jiān)控充電電路的狀態(tài)。
因為功能之間的差異，外圍接口與模塊部分的電源供給的需求也往往不同，所以此部分電源模塊一般采用分布式解決方法。如SD卡接口，可采用價格相對便宜的低壓差的線性穩(wěn)壓器來供電；而USB Host接口，則需要采用高效率的開關(guān)電源來供電。所有外圍接口和模塊電源的控制均采用CPLD來完成。
綜上所述，該方案充分利用了分布式方案和集成式方案的優(yōu)點，利用可編程邏輯器件的可編程控制的特點，可以對各部分電路的控制和狀態(tài)的查詢進(jìn)行優(yōu)化。同時，簡化了電源管理軟件的實現(xiàn)，包括處理器的動態(tài)電源管理和其他外部設(shè)備的管理等，能夠滿足各種不同的應(yīng)用場合，且具有一定的可擴展性。
2 具體實現(xiàn)
本文結(jié)合一個手持設(shè)備的具體需求，給出一種采用綜合性電源設(shè)計方案的實例。
2.1 手持設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)
該設(shè)備采用Intel Xscale PXA255作為CPU，主頻為400MHz。整個系統(tǒng)通過CPLD實現(xiàn)邏輯控制。設(shè)備同時提供了TFT LCD、觸摸屏、SD接口、SDRAM、FLASH、CF接口等。設(shè)備的硬件框圖如圖2所示。
2.2 電源系統(tǒng)的架構(gòu)
該手持設(shè)備采用3.6V～4.2V鋰電池供電，電池容量為1900mAh。整個電源系統(tǒng)的架構(gòu)如圖3所示。
2.2.1 最小系統(tǒng)的電源電路
開機和關(guān)機電路中采用的是74LVC74芯片，該芯片是一個雙D觸發(fā)器，按下開關(guān)按鍵，將會在芯片輸出引腳上產(chǎn)生一個電平變化，74LVC74的輸出控制TPS2013，從而打開或關(guān)閉電源。TPS2013是一個低內(nèi)阻電源功率分發(fā)芯片，它將VCC_BATT分發(fā)到SYS_PWR，電壓范圍為3.6～4.2V，它的后級將接一個高效率低壓差的線性穩(wěn)壓芯片，即MAX1793。MAX1793將SYS_PWR轉(zhuǎn)換為3.3V電壓，給PXA255，CPLD，SDRAM和FLASH，以及總線驅(qū)動部分供電。VCC_3P3V作用在MAX5360上產(chǎn)生一個參考電壓給MAX1820。MAX1820根據(jù)提供的參考電壓，產(chǎn)生PXA255所需要的核心電壓VCC_CORE和鎖相環(huán)供電電壓。復(fù)位電路采用的核心芯片是美信公司MAX6342，當(dāng)VCC_3P3V電壓上升到3.08V的時候，該芯片會產(chǎn)生一個低電平的復(fù)位信號給PXA255，該信號經(jīng)過約180ms后變成高電平，CPU就會從FLASH的0地址執(zhí)行引導(dǎo)程序。MAX6342帶有一個手動復(fù)位引腳，可以實現(xiàn)手動復(fù)位功能。
CC_CORE，即CPU核心電壓是系統(tǒng)中最復(fù)雜的供電部分。通過I2C總線，它的電壓能夠被控制在0.8～1.7V。此外，動態(tài)電源管理DVM（Dynamitic Voltage Management）需要一個特定的時序。系統(tǒng)電路板上有兩個DAC芯片(MAX5360A和MAX5360B），通過I2C總線控制它們的輸出電壓。使用一個模擬開關(guān)MAX4544來選擇一路MAX5360輸出作為MAX1820的參考電壓。模擬開關(guān)由復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)來控制。因此，通過I2C總線可以控制VCC_CORE的電壓。系統(tǒng)上電后，VCC_CORE的電壓值被設(shè)定成1.46V。
2.2.2 LCD電源電路
系統(tǒng)使用了SHARP公司的3.5寸TFT LCD，型號是LQ035Q7DD01。該LCD一共需要五種電壓，分別為：+5V，+15V，-10V，以及背光LED的正、負(fù)電源。經(jīng)過相關(guān)資料收集和分析后，系統(tǒng)采用了MAX1779來產(chǎn)生LCD需要的+5V，+15V和-10V電源；采用LTC3465A來產(chǎn)生LCD背光LED所需的正、負(fù)電源。背光亮度控制由PWM信號提供，該信號為PXA255的輸出，經(jīng)過CPLD后，輸出給LTC3465A，通過設(shè)置CPLD和PXA255中的寄存器達(dá)到關(guān)閉與打開背光目的，同時也可以調(diào)節(jié)背光的亮度。
2.2.3 鋰電池充電電路
目前很多手持設(shè)備都把充電電路直接嵌入到系統(tǒng)內(nèi)部，如何將這一部分應(yīng)用做到功耗更低體積更小，一直是手持設(shè)備制造商們追求的目標(biāo)。本系統(tǒng)提供了兩種充電接口，一種是墻式的9V充電接口，另外一種是USB充電接口。兩種接口之間通過二極管隔離，避免產(chǎn)生干擾。充電芯片選用了凌特公司的LTC1730。該芯片是凌特公司新一代脈沖式電池充電控制器，它散熱量少、器件體積小，而且只需很少的外圍元件，因此非常適合于嵌入到手持設(shè)備的內(nèi)部。它在快速充電模式下，通過內(nèi)部功率FET導(dǎo)通使輸入電壓下降，使外部穩(wěn)壓器進(jìn)入限流狀態(tài)，從而降低了器件本身的功耗；當(dāng)電池充電到接近預(yù)定電壓時，內(nèi)部FET又會轉(zhuǎn)入脈沖工作方式，直到可編程定時器計時終止。電池充滿以后，充電控制器的一個管腳還會發(fā)出指示信號驅(qū)動LED顯示以提醒用戶。該器件的輸出電壓可通過引腳選擇4.1V或4.2V，誤差不超過1%。在沒有充電時，它會自動進(jìn)入睡眠模式，電流消耗低于1μA。充電指示信號經(jīng)過CPLD預(yù)處理后作為CPU的一個中斷源，從而監(jiān)控充電電路的狀態(tài)。
2.2.4 其他電源電路
目前手持設(shè)備中常用的外圍接口或模塊主要有USB Host、USB Client、SD、CF、IRDA，其中，USB Host需要5V供電，USB Client由PC供電，SD卡需要3.3V供電，CF既有5V供電的，也有3.3V供電的，IRDA一般采用3.3V供電。本系統(tǒng)中采用升壓式開關(guān)電源芯片MAX1703將電池電壓轉(zhuǎn)換為USB Host需要的5V電壓，使用CPLD來控制MAX1703的打開和關(guān)閉。SD卡、IRDA均采用線性穩(wěn)壓電源MIC5219來供電。采用MAX1793來得到CF接口卡需要的3.3V電源。
本文所提出的綜合式電源設(shè)計方案提供了簡單的電源控制接口，為電源管理軟件的實現(xiàn)提供了較強的靈活性。結(jié)合電源管理軟件，可以實現(xiàn)電源系統(tǒng)的各種模式切換。通過在上述手持設(shè)備的方案實現(xiàn)與測試，設(shè)備待機時間可達(dá)到48小時，持續(xù)工作時間超過24小時，說明該電源系統(tǒng)具有較高的可靠性和抗干擾能力。同時，該設(shè)計方案有一定的通用性，對其他手持設(shè)備中的電源系統(tǒng)設(shè)計有一定的參考價值。
參考文獻(xiàn)
1 楊雪金.一種減少嵌入式處理器功耗的綜合DVS方式.計算機工程與應(yīng)用，2005；(14)
2 王 榮.一個嵌入式系統(tǒng)動態(tài)電源管理方案.計算機工程， 2004；(30)12
3 唐志芳.系統(tǒng)級動態(tài)電源管理算法的研究.計算機工程與應(yīng)用，2005；(6)
4 李林功.嵌入式系統(tǒng)的低功耗設(shè)計.計算機應(yīng)用研究，2005；(2)
5 Philips Semiconductors.The I2C-BUS Specification Version 2.1.2000