具有自適應(yīng)開(kāi)機(jī)和冬眠功能的電源管理設(shè)計(jì)

摘要： 消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品主控SoC芯片內(nèi)電源管理部分的設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品整機(jī)的功耗控制至關(guān)重要。為降低產(chǎn)品功耗和節(jié)省成本，設(shè)計(jì)了與任意片外開(kāi)機(jī)使能電平相匹配的自適應(yīng)開(kāi)機(jī)接口使電子產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)機(jī)電路得到簡(jiǎn)化；并通過(guò)軟硬件協(xié)作實(shí)現(xiàn)了冬眠功能，其特點(diǎn)是在待機(jī)狀態(tài)下，SoC上除電源管理單元和實(shí)時(shí)時(shí)鐘外全部關(guān)電，而后能響應(yīng)用戶(hù)請(qǐng)求迅速恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞： SoC芯片； 電源管理； “自適應(yīng)”開(kāi)機(jī)； “冬眠”功能

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34； TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）06?0157?04

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步，手機(jī)，MP3/MP4，PDA等消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的智能化程度越來(lái)越高，功耗越來(lái)越低而價(jià)格越來(lái)越便宜。與此趨勢(shì)相應(yīng)的就是此類(lèi)產(chǎn)品的電源管理方案更加復(fù)雜和靈活。

以手機(jī)為例，起初手機(jī)的電源管理只包括簡(jiǎn)單的電源開(kāi)通/關(guān)閉功能，由系統(tǒng)級(jí)印刷電路板（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PCB）上獨(dú)立于主控芯片（以下簡(jiǎn)稱(chēng)SoC）之外的控制電路和電源管理芯片（PMIC）實(shí)現(xiàn)，其中PMIC的基本功能是把手機(jī)電池的單電壓輸入（手機(jī)鋰電池的電壓為3.6 V）轉(zhuǎn)換成多路電壓輸出給PCB上各部件供電（有的需要3.3 V，有的需要1.8 V，每種電壓所需路數(shù)不等）。這種電源管理方式的缺點(diǎn)是方案成本較高，功耗控制簡(jiǎn)單即PMIC的電源輸出同時(shí)開(kāi)或同時(shí)關(guān)?；诖朔N簡(jiǎn)單的電源管理，SoC的主要功耗控制方式是降低時(shí)鐘頻率和關(guān)停時(shí)鐘。

如今的智能手機(jī)都將電源控制部分集成到主控芯片內(nèi)部作為電源管理單元（PMU），其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省成本，和能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的電源控制：包括靈活控制開(kāi)關(guān)機(jī)、靈活調(diào)節(jié)各路電源輸出的電平（比如軟件可以在不需要SDRAM工作的時(shí)間段，通過(guò)PMU控制外部PMIC將輸出給SDRAM的電壓從3.3 V降到2.7 V，以減少SDRAM的功耗并保持其內(nèi)容不丟失）和動(dòng)態(tài)啟停PMIC的某一路或某幾路電源輸出?；诖祟?lèi)PMU，SoC可以實(shí)現(xiàn)包括降低電壓和關(guān)斷電源在內(nèi)的更多功耗管理模式。

冬眠（Hibernation）是SoC最省電的一種功耗模式，在此模式下，SoC中除RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元）和PMU仍然保持工作外，SoC其余部分的供電被關(guān)斷從而進(jìn)入功耗最省狀態(tài)；同時(shí)在SoC外部，動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（SDRAM）保持供電且處于自刷新（Self?Refresh）狀態(tài)以維持其記憶體內(nèi)容不變。當(dāng)冬眠喚醒（Wakeup from Hibernation）被觸發(fā)后，PMU恢復(fù)SoC的正常供電并指示軟件從SDRAM直接啟動(dòng)系統(tǒng)。

另外，在PMU的開(kāi)關(guān)機(jī)控制中存在一個(gè)細(xì)節(jié)問(wèn)題：PMU所輸出的開(kāi)機(jī)使能電平是固定的，或?yàn)楦呋驗(yàn)榈?；在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須保證PMU所輸出的開(kāi)機(jī)使能電平與電源管理控制器（PMIC）所要求的電平一致，否則就需要在PCB上添加反相器或重新選擇符合要求的PMIC。注意這個(gè)有效開(kāi)機(jī)使能電平的確定難以通過(guò)軟件的方法來(lái)解決，因?yàn)檐浖仨氃赟oC正常上電之后才能運(yùn)行，如果在芯片上電之前，PMU中預(yù)定的開(kāi)機(jī)使能電平與實(shí)際PMIC要求的電平不符，則無(wú)法正常開(kāi)機(jī)。

筆者在其公司最新設(shè)計(jì)的SoC中改進(jìn)了PMU的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)開(kāi)機(jī)和冬眠功能。其中，自適應(yīng)開(kāi)機(jī)就是無(wú)論外部PMIC所要求的開(kāi)機(jī)使能電平是高是低，PMU通過(guò)自身硬件進(jìn)行自動(dòng)判別并記憶，然后輸出正確的開(kāi)機(jī)使能電平；同時(shí)PMU實(shí)現(xiàn)了特殊硬件機(jī)制使得系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員能通過(guò)軟硬件結(jié)合輕松實(shí)現(xiàn)冬眠功能。

1 電源管理單元

首先給出PMU的接口和寄存器設(shè)置，讀者由此可以把握本PMU設(shè)計(jì)的基本規(guī)范（spec）。如圖1所示。

1.1 PMU接口

VDDP/GNDP：專(zhuān)門(mén)給PMU供電的管腳， 一直有電（Always on Power）；與之對(duì)應(yīng)， VDDM/GNDM給外部SDRAM以及“冬眠”喚醒部件供電，VDDC/GNDC為主電源，給SoC其他功能模塊和系統(tǒng)其他部件供電。

圖1 電源管理單元接口

RSTn：復(fù)位輸入，低電平有效；在PCB上有一個(gè)由主電源VDDC供電的復(fù)位發(fā)生器（PoR）。當(dāng)VDDC掉電時(shí)，RSTn將保持為低；當(dāng)VDDC上電時(shí)，RSTn經(jīng)過(guò)一段延遲（如50 ms，不同復(fù)位發(fā)生器延遲不一樣）由低變高并停在高電平直到VDDC掉電。

CLK：32 kHz時(shí)鐘輸入，用于給按鍵計(jì)時(shí)；（此時(shí)鐘為復(fù)用RTC模塊的低功耗高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘）。

PSI[1：0]：2個(gè)按鍵輸入接口， PSI[0] 用于開(kāi)關(guān)機(jī)鍵，PSI[1] 用于“冬眠”喚醒鍵；輸入值為低表示相應(yīng)鍵有按下。

PSO[1：0]：2個(gè)電源使能輸出接口，PSO[0]使能VDDC，PSO[1] 使能VDDM。

1.2 PMU寄存器

PVL：存儲(chǔ)電源有效使能電平，即指示電源VDDC和VDDM的有效使能電平；在手機(jī)初次上電或發(fā)生電源失效后恢復(fù)使用時(shí)，此寄存器值可能不正確；每次開(kāi)機(jī)時(shí)，其值由“自適應(yīng)開(kāi)機(jī)”邏輯來(lái)校正；該寄存器值也允許軟件修改。

2 自適應(yīng)開(kāi)機(jī)功能

2.2 “自適應(yīng)開(kāi)機(jī)”過(guò)程

初始狀態(tài)：系統(tǒng)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，除PMU，RTC仍然保持有電外，SoC其他模塊均處于掉電狀態(tài)，具體初始信號(hào)如下：

PSI0：開(kāi)關(guān)機(jī)鍵值保持高，即沒(méi)有按下；

CLK：32 kHz時(shí)鐘一直有效；

RSTn：系統(tǒng)復(fù)位輸入保持為低，即復(fù)位有效；

PSO：電源使能輸出高阻，即關(guān)機(jī)；

FSM：開(kāi)關(guān)機(jī)控制有限狀態(tài)機(jī)處于“關(guān)機(jī)”狀態(tài)；

CNT：按鍵時(shí)間計(jì)數(shù)器保持清零狀態(tài)。

啟動(dòng)開(kāi)機(jī)：用戶(hù)持續(xù)按下開(kāi)機(jī)鍵，觸發(fā)硬件邏輯變化，具體信號(hào)和狀態(tài)變化如下：

PSI0：開(kāi)關(guān)機(jī)鍵輸入為低電平，即該鍵按下；

CNT：計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)（每隔一個(gè)CLK周期，計(jì)數(shù)器加1）；

CMP：比較器在每個(gè)CLK周期都將CNT值與 {PFR[19：9]，6’b111111}進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果送給FSM；

FSM：當(dāng)收到比較相等的信號(hào)，F(xiàn)SM進(jìn)入“開(kāi)機(jī)嘗試”狀態(tài)，即控制PSO輸出PVL所指示的電平，同時(shí)復(fù)位計(jì)數(shù)器使之重新開(kāi)始計(jì)數(shù)；

PSO：輸出PVL所指示的電平，即嘗試使能開(kāi)機(jī)上電；

RSTn：如果PVL所存值正確，上述上電過(guò)程成功，手機(jī)正常上電，經(jīng)過(guò)復(fù)位延遲后，復(fù)位變?yōu)闊o(wú)效idianndiane按鍵鍵；FSM進(jìn)入“開(kāi)機(jī)成功”狀態(tài)（等待開(kāi)關(guān)機(jī)鍵再次按下，然后進(jìn)入“關(guān)機(jī)”狀態(tài)）。

初次或異常開(kāi)機(jī)過(guò)程：在手機(jī)初次上電或發(fā)生電源失效后恢復(fù)使用時(shí)，PVL寄存器的值可能錯(cuò)誤；此時(shí)開(kāi)機(jī)過(guò)程基本同上，只是FSM進(jìn)入“開(kāi)機(jī)嘗試”狀態(tài)后，PSO輸出與PMIC期望相反的電平，此后的過(guò)程說(shuō)明如下：

CNT： 在FSM進(jìn)入“開(kāi)機(jī)嘗試”狀態(tài)后，重復(fù)開(kāi)始計(jì)數(shù)；

CMP： 當(dāng)按鍵時(shí)間第二次達(dá)到閾值，比較器將再次輸出比較相等的信號(hào)；

FSM： FSM在“開(kāi)機(jī)嘗試”狀態(tài)再次收到比較相等的信號(hào)，將PVL值取反存入PVL寄存器；

PSO：保持輸出PVL所指示的電平，使能開(kāi)機(jī)上電；

3 冬眠功能

3.1 功能框圖和信號(hào)、構(gòu)件說(shuō)明

3.2 冬眠功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程

3.2.1 進(jìn)入冬眠

（1）軟件保存快速啟動(dòng)代碼和當(dāng)前程序現(xiàn)場(chǎng)到SDRAM；

（2）軟件控制SDRAM進(jìn)入自刷新模式（CKE=0并保持到喚醒之后）；

（3）軟件控制SoC預(yù)備進(jìn)入“冬眠”模式（包括停時(shí)鐘，關(guān)PLL等）；

（4）軟件將快速啟動(dòng)的初始地址寫(xiě)入PSR；

（5）軟件將2’b10寫(xiě)入PCR（即關(guān)VDDC，保持VDDM）；

（6）硬件上PSO0輸出高阻，PSO1輸出有效使能電平；由于VDDC掉電，RSTn拉低復(fù)位有效；CKE輸出為高阻，由下拉保持在低電平使SDRAM維持自刷新?tīng)顟B(tài)。

3.2.2 喚醒冬眠

（1）用戶(hù)按下指定鍵導(dǎo)致PSI1拉低達(dá)到閾值時(shí)間，觸發(fā)冬眠喚醒邏輯；

（2）硬件控制PSO0輸出有效使能電平使VDDC上電；

（3）SoC進(jìn)入復(fù)位階段，其中CKE的復(fù)位值為0；

（4）PoR在經(jīng)過(guò)固定延遲后太高RSTn，使復(fù)位失效；

（5）SoC進(jìn)入啟動(dòng)階段，控制權(quán)交給軟件；

（6）軟件判斷此為冬眠喚醒而非開(kāi)機(jī)啟動(dòng)，控制SDRAM跳出自刷新?tīng)顟B(tài)；讀PSR獲得啟動(dòng)地址，直接運(yùn)行SDRAM上的啟動(dòng)代碼，并回到冬眠前的現(xiàn)場(chǎng)；

（7）軟件判斷引起冬眠喚醒的原因，執(zhí)行相應(yīng)操作。（在上述功能框圖中，KBIC被用作喚醒部件，按任意鍵都會(huì)引發(fā)“冬眠”喚醒，然后軟件通過(guò)I2C讀出鍵值確定所按何鍵）。

4 結(jié) 語(yǔ)

自適應(yīng)開(kāi)機(jī)功能簡(jiǎn)化了PCB上供電電路的設(shè)計(jì)，也使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能自由選擇性?xún)r(jià)比更高的PMIC從而有助于降低整機(jī)成本；自適應(yīng)開(kāi)機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法已由筆者所在公司申請(qǐng)專(zhuān)利保護(hù)。

本文所公開(kāi)的冬眠功能已成功用于電紙書(shū)的應(yīng)用：讀者閱讀當(dāng)前頁(yè)時(shí)，SoC進(jìn)入冬眠狀態(tài)，超級(jí)省電；當(dāng)讀者按動(dòng)翻頁(yè)鍵（PgDn或PgUp）時(shí)，SoC快速?gòu)?fù)活并顯示下一頁(yè)或上一頁(yè)的內(nèi)容，然后又開(kāi)始冬眠。當(dāng)使用Mobile SDRAM作為外部動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器時(shí)，筆者測(cè)量其電紙書(shū)參考系統(tǒng)的普通待機(jī)功耗為2.2 mA，而在“冬眠”狀態(tài)下的待機(jī)功耗為180 μA（主要來(lái)自Mobile SDRAM的自刷新功耗）。由是，利用冬眠功能本電紙書(shū)一次充電后的使用時(shí)間可從數(shù)周延長(zhǎng)到數(shù)月。

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