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标题: 基于片上状态机的智能电源管理单元设计 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 13:56
标题: 基于片上状态机的智能电源管理单元设计
作者：华东师范大学李甫成邹晨朱守正
AT73C203是美国爱特梅尔公司针对便携式电子产品推出的高集成度智能电源管理芯片，适用于4.07～4.20V的各类锂离子电池，提供多种输入源选择以及多路的DC/DC可编程变换输出。

图1 使用AT73C203作为电源管理核心的DSC原型设计

AT73C203的特点
（1）四路输入源选择，包括一节内部锂离子电池，一节外部可拆卸锂离子电池，外接5V电源，以及USB-HUB。
（2）内部状态机能在没有任何外部MCU介入的情况下单独进行上电顺序控制，输入通道切换，安全关断设备，以及USB预充电，快充电等操作。
（3）三路降压DC/DC以及一路升压降压DC/DC级联 LDO的大电流变换器能够为负载提供足够的支持；三路均提供最高可达1.2A的输出能力，且电压可编程。
（4）两个可配置的锂离子电池充电器，提供预充电，快充电和满充保持模式，可以根据不同型号的锂离子电池调整不同的恒流恒压充电算法。
（5）片上A/D转换器实时监控包括电池温度，硅片温度，DC/DC输出终端以及输入源端的电压参数并提供过压和欠压保护与硬件复位。
（6）片上ISO7816模块，SIM/USIM兼容接口。
（7）集成的发送和接收数据FIFO。
（8）通用的SPI接口便于和MCU之间的通信及片上寄存器堆的访问。
（9）上电复位电路，针对PXA250/PXA255等类似的32位架构处理器，提供额外的系统级顺序复位信号，最大程度简化外围上电逻辑电路。
（10）高精度低温漂内部振荡器。
（11）高精度带隙电压基准。
（12）极低的电源消耗，关断模式下，仅仅60μA的工作电流。
（13）片上恒流DAC，为热敏电阻提供偏置，更大程度地提高安全性。
（14）外接电源充电和USB-HUB充电可供选择。
（15）额外的可编程GPIO用于LED驱动和状态显示控制，节省了MCU的I/O引脚。　
（16）MCU可控的充电算法。
（17）TF-BGA100的纤小封装使得最终产品小巧轻便。
内部结构和工作原理
AT73C203的内部结构如图2所示。

图2 AT73C203结构框图

1 输入源通道切换控制器
AT73C203 具有多路输入源可供选择，除去一节内部锂离子电池作为系统固有供给外，外部可拆卸锂电池，外接适配电源和USB-HUB等三种输入源均可在必要时接入供电系统，所有输入源通过外部背靠背的MOSFET对相互隔离。同一时刻，在源通道切换控制器的调度下选通一路作为整个系统的电源供给，切换控制器根据内部优先级高低选择当前有效的输入源，确保负载供电以及状态机控制在切换瞬间的连续性和稳定性。
2 A/D转换器
多输入复用A/D转换器用于系统电压的监控，包括各路DC/DC输出终端以及输入源端的电压参数，和芯片本身温度参数等均配置了对应的过压/欠压/中断/屏蔽/复位等寄存器，通过硬件门限比较电路配合用户软件可以灵活地应对工作时可能出现的各种突发故障，从而保护系统负载，并快速处理现场。
3 数字控制逻辑
数字控制部分提供了芯片与外部MCU的SPI接口以及对内部其他单元的协调和管理，除了给出必要的输入启动/关断/系统时钟、输出中断请求和通用I/O控制信号外，这部分还提供了不同模拟数字电路之间的电平转换功能，防止了由于电平不匹配造成的模块间电流泄露。针对不同系统负载的输入电压参数要求，数字控制逻辑可以通过外部引脚来设定当前DC/DC的输出工作电压：RAIL 1可配置为1.2V/1.75V，而RAIL 2可配置在1.8V/2.5V。
4 锂电池充电器
两个可供使用的锂电池充电器分别对应了系统内部锂离子电池以及外部可拆卸锂电池的补给需要。充电器除了状态机可控外，同时还提供了涓流恒流预充，软件控制快速恒流充电以及满充保持/结束充电等模式。针对不同技术参数的锂离子电池，为用户提供了灵活的解决方案，并在温度监控机制和安全定时器的保护下确保充电的安全性。
5 ETS TS 102 221兼容
配置了独立电压可编程LDO作为电源供给的SIM接口，完全符合ISO/IEC 7816标准下的ETSI TS 102 221技术规范，同时支持T=0和T=1协议，集成的两个16Byte FIFO和对应的4位指针节省了MCU资源，包括差错校验、位流控制、数据超时、重发机制、中断发生、通信速率及错误数目报告等在内的功能单元都有详细对应的寄存器映射，通过适当简便的配置即可快速地应用到具有SIM/ USIM需求的系统中。
6 多路DC/DC变换器
四路变换器均与片上的900kHz高精振荡源相连，振荡器提供的各个分布时钟经过移相处理后可有效地防止同步开关现象的发生。
工作在1.2A、1.2V/1.75V的同步降压稳压器1定位于应用处理器内核以及周边ASIC或SOC等器件，1.2A、1.8V/2.5V同步降压稳压器2则适合为板上FLASH、SDRAM以及外扩CF、MMC和Memory Stick等存储芯片提供支持，520mA、3.3V的升压降压DC/DC级联LDO变换器3可以作为音频编解码电路，点阵LCD显示等模块的电源供应。额外的一路1.2A、0.9V的同步降压稳压器4则迎合了深亚微米系统内核更低电压和大电流输入的要求。
工作模式
为了应对延长便携式设备待机时间的设计挑战，设计时有以下工作模式可供切换
1 普通工作模式
在系统某些部分需要正常供电或进行电源管理的情况下，芯片工作在此模式。包括输入源通道切换控制器， DC/DC变换器，锂离子电池充电器等片上资源通过一个由128个寄存器组成的寄存器堆进行监管和控制，在某些系统负载处于闲置状态或片上部分资源暂时与当前工作现场无关时，需要通过设置其映射的寄存器或寄存器组来将其关断，以降低系统平均功耗
2 关断待机模式
在系统的各个部分均处于非工作状态时，整个系统中将仅有电源管理芯片时刻处于待命状态，此时芯片工作在关断模式。在这个模式下，除了输入源控制器、部分片上数字控制逻辑、上电复位电路以及内部基准稳压器和10kHz振荡器以外的所有单元都将被关断，而在关断模式中始终处于工作状态的各个单元都使用了独特的芯片工艺进行设计，最大限度地减小其工作电流，从而保证了当使用一块容量为600mAh的锂离子电池为系统供电时，电池可以在此模式连续待机三个月。
3 USB单独工作模式
为了在通信的同时为电池补给电力， USB单独工作模式为设计者提供了充电功能，通过对电池当前剩余电量的估计和判断能够进入充电的不同阶段。当电池处于温度适当且电压较低（如< 3.8V）的情况下，预充机制将被启动，由相应的安全充电定时器来对电池状态进行监控，如若在计时器溢出时电池的电压仍然不能达到正常快充状态，则会被判为电池故障，由此保证系统安全性。
除此之外，在外部MCU处于睡眠的状态下，芯片可以通过访问对应的模式寄存器，配合外部的CTN热敏电阻，将锂离子电池充饱至4.1V。以上所提到的关于USB的单独工作模式都是以芯片内部的优化状态机作为核心，也是状态机控制流程中的一个组成部分。图3是USB 睡眠充电模式的状态转换图，芯片以集成的方式对系统的电源进行管理，这样的管理方式有别于其他带有片上MCU硬核的ASSP，在节省功耗的前提下也不失灵活性，当应用需要外部动态配置时，可以由用户固件进行控制，通用的SPI接口和片上寄存器堆的实时访问帮助用户定制自己的设计。

图3 USB睡眠充电模式的状态机转换流程

应用设计技巧
输入源通道切换控制器的隔离：输入源不仅需要通过开关管连接到通道切换控制器，而且彼此必须相互隔离，使用背靠背的成对MOSFET可以借助管子的体二极管来达到通道隔离的目的，同时低RDS(ON)的MOSFET有助于提高电源效率，减少不必要的功率损耗对于电感式同步降压稳压器，设计时选用的开关管应当具有较小栅极载荷特性，降低转换的开关损耗，提高开关效率。由于DC/DC的反馈电路提供了集成的方案，对于设计者来说不再需要过多考虑电源的回路增益（穿越频率）以及转换器的稳定问题，同时省去了复杂的回路零点与极点的计算和配置，通过选用较少的几个外围器件就能留有足够的相位余量，达到稳定可靠的目的。另外使用低ESR的陶瓷电容更有助于降低输出纹波，降低噪声。
值得一提的是，如果在设计中需要额外的一路3.6V电压作为供给，我们可以在3.3V的升压降压DC/DC级联LDO变换器3上动一些脑筋。在系统正常启动的前提下，可以通过位于LDO之前的升压/降压 DC/DC进行电源补给，但需要注意的是负载不能过重，以及调整适当的上电顺序，防止在LDO输入端的电压跌落导致其工作失效。在系统需要外部实时时钟电源供给时，一种简洁的思路是可以直接借助于内部2.5V电压基准，因为在系统关断的情况下，这一部分仍然可以服务于不间断的实时时钟。
板级设计方面则要注意芯片电源地的相对位置，尽量使用独立的电源和地平面以保证整个电源模块的电源完整性（PI），最大程度地降低同步开关噪声和阻抗不连续造成的系统稳定性缺失。
测试与评估
图4～图6是我们编写的虚拟仪器评估面板，用来对整个电源管理系统进行测试和评估。

图4 VI监控面板

图5 VI充电面板

图6 VI SIM 接口控制面板

包括当前输入源配置、USB工作状态、GPIO控制、正常工作显示，过压/欠压/中断/屏蔽/复位等系统监控寄存器配置，DAC偏流控制，各路电压调整（见图4），充电源选择，充电状态切换，电流大小，安全定时器以及看门狗状态（见图5），SIM卡电源，时钟，波特率，及相应的屏蔽/状态/控制/数据/指针等寄存器（见图6）在内的完整系统资源都可以得到测试和评估。
图8给出了电池输入4.0V，负载电流为600mA时1.2V输出端的瞬态响应和纹波情况。

图7 RAIL1 输出瞬态响应及纹波

三路不同输出电压的同步降压稳压器在各自带动600mA负载时（输入电池4.0V），系统的DC/DC转换效率可达到85%以上，包括其他系统资源在内的整体工作效率视具体应用略有差异。灵活地使用系统工作模式，以及状态机机制能有效延长电池的工作时间。

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