最新典型的電源網(wǎng)絡管理實例

本文通過詳細介紹雙PMIC(TPS6594-Q1)電源如何連接到典型的處理器和其他外圍組件用例，從而可以有效的支持電源分布式網(wǎng)絡(Power Distribution Network，PDN)。電源網(wǎng)絡管理模塊PDN可根據(jù)其處理器的電力需求來實現(xiàn)主微處理核MCU和其余高運算能力芯片電壓資源的板級隔離。同時，利用這種板級電源隔離實現(xiàn)理想的產(chǎn)品功能體系結構。

對于整個配電網(wǎng)絡PDN的設計主要包括以下內(nèi)容：

①　PDN電源連接

②　PDN數(shù)字控制連接

③　主副PMIC默認內(nèi)部模塊管理NVM內(nèi)容

④　PMIC排序設置以支持高級處理器的不同PDN電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)PMIC數(shù)據(jù)處理需要描述推薦的操作、電氣特性、外部組件、封裝詳細信息、寄存器映射和整體組件功能。PMIC(TPS6594-Q1)器件具有不同的可訂購部件號 (PN)，具有獨特的NVM設置以支持不同的最終產(chǎn)品用例和處理器類型。每個PMIC所具備的獨特NVM設置器件會針對每個PDN設計進行優(yōu)化，從而支持不同的處理器、處理負載、SDRAM 類型、系統(tǒng)功能安全級別和最終產(chǎn)品特性(例如低功耗模式、處理器電壓和內(nèi)存子系統(tǒng))。NVM設置可以通過模塊ID號NVM_ID 和 模塊寄存器NVM_REV來識別。每個PMIC 設備可通過部件號、NVM_ID 和 NVM_REV 值來區(qū)分。

下圖顯示了雙 TPS6594-Q1的PMIC電源管理和處理器之間的電源映射，該種連接方式支持獨立 MCU 和主電源軌所需的電壓域。

如上圖所示，PDN 在輸入電源和PMIC之間需要有一個串聯(lián)的外部功率 FET。PMIC通過OVPGDRV 引腳實現(xiàn)FET前后的電壓監(jiān)控，當檢測到大于 6 V 的過壓事件時，F(xiàn)ET 可以在輸入電源上快速隔離 PMIC，以保護系統(tǒng)免受損壞。這包括來自的所有電源軌場效應管輸出信號，F(xiàn)ET 上游連接的任何電源都不受過壓事件的保護。MCU和主要 I/O 域供電的負載開關，分立式降壓電源DDR 和為 EFUSE 供電的分立式穩(wěn)壓器LDO 都連接到了 FET 之后，這樣可以延長對這些處理器域和分立電源的過電壓保護能力。

此外，從如上圖所示的整個電源管理模塊內(nèi)部結構中，還包含如下一些相應的參數(shù)設置。

在如上配置中，兩個 PMIC使用 3.3 V 輸入電壓。對于功能安全應用，在VCCA之前有一個保護FET連接到主PMIC的OVPGDRV引腳，允許監(jiān)控PMIC的輸入電源電壓。VCCA電壓必須是施加到 PMIC 設備的第一個電壓，PMIC的VIO_IN在VCCA之后通過負載開關為對應PDN中的VIO_IN 供電。該負載開關還提供了VDDSHVx_MCU 處理器的電壓源，通過引入VIO_IN的PMIC GPIO控制信號可以確保在MCU Only低功耗模式期間可以保持活動狀態(tài)，并在DDR做數(shù)據(jù)保存(也稱為掛起到 RAM)期間被禁用以降低PMIC功耗。

對于雙電壓I/O情況需要支持包含3.3V 和 1.8V兩種情況。使用一種具有邏輯高電平默認值的處理端 LDO可以通過GPIO控制信號將初始的電壓I/O值設置為3.3 V。處理器上電期間，引導加載程序SW 可以將 GPIO 信號設置為低電平，從而確保使用端根據(jù)需要選擇適當?shù)碾娖?1.8 V)。同時，在未啟動 MCU 的情況下，PMIC可以控制 LDO1 電壓處理器在操作系統(tǒng)啟動期間與PMIC建立 I2C 通信。

這里我們可以舉例說明對一些超異構芯片是如何實現(xiàn)MCU Only的控制邏輯。比如在TDA4芯片的MCU Only模式控制上，需要在電源分布式網(wǎng)絡 PDN 中使用是四個分立電源組件，其中三個是必需的，一個是可選的，具體取決于根據(jù)最終產(chǎn)品的特點。兩個TPS22965-Q1負載開關將 VCCA_3V3 電源軌連接到電源保護處理器 I/O 域。通常需要兩個負載開關才能實現(xiàn)隔離計算域NPU和實時域MCU，對每個模塊進行單獨控制，當然也可以在MCU Only低功耗操作的主處理器之間建立電源隔離。TPS62813-Q1 降壓轉(zhuǎn)換器也可以為存儲單元 LPDDR4 SDRAM 組件提供所需的電源電壓(1.1V)。

從TPS6594-Q1 器件到處理器的其他連接GPIO線路也可以通過信號來提供錯誤監(jiān)控、處理器復位、處理器喚醒和系統(tǒng)低功耗模式。特定的 GPIO 引腳需要分配給特定的按鍵信號，這樣可以確保在只有少數(shù) GPIO 引腳的情況下保持正常運行在低功耗模式下。

如今，這樣的任務是由技術嫻熟且經(jīng)驗豐富的元件工程師來完成。人工智能不會取代這項技能，但能極大地加速這一過程——理想情況下，它能取代翻閱數(shù)百份數(shù)據(jù)表以篩選出少數(shù)幾個兼容候選產(chǎn)品的繁瑣工作。

自動導引車系統(tǒng)的優(yōu)化分布式電源架構

許多電路設計需要多個板級電源電壓。例如，自主駕駛或自動引導車 (AGV) 可以沿著城市的人行道自行運送包裹或食品。AGV 將需要多種功能模塊來正常工作——如視頻攝像頭等傳感器輸入、通過超聲波、雷達或激光雷達進行物體檢測的系統(tǒng)、GPS 定位系統(tǒng)、微控制器以及若干電機驅(qū)動器——所有這些都由單個可充電電池供電，通常為48 V 鋰離子電池組(見圖 2)。

圖 2：典型 AGV 子系統(tǒng)

所有這些功能子系統(tǒng)都需要電源，將由 48 V 電池組供電。電池電壓會根據(jù)負載和充電狀態(tài)變化，從耗盡時的 24 V 到剛充滿時的 54 V，瞬態(tài)輸入電壓范圍為 20 V 至 60 V[1]。各板級電壓可調(diào)，電機控制器為 +15 V，攝像頭和超聲波傳感器為 +12 V，激光雷達系統(tǒng)為 +300 V，GPS 子系統(tǒng)為 3.4V，微控制器、接口和存儲器 IC 分別為 +5 V、+3.3 V、1.8 V 和 1.2 V。車輪電機驅(qū)動將直接采用電池供電。顯然，這些板級電源將由各種穩(wěn)壓器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器供電，但哪一種是最佳配置呢?是由 48 V 電池單獨供電，還是通過高電流 DC/DC 轉(zhuǎn)換器來降低電壓并用低壓差線性 (LDO) 穩(wěn)壓器為每個系統(tǒng)進一步調(diào)節(jié)電源，或者結合以上兩種方式?(圖 3)。

圖 3：AGV 電路板兩種可能的電源分配解決方案：集中式和分布式

圖 3 所示的兩種電源樹解決方案均能提供相同的最終結果。上面的分布式解決方案使用了更多的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊，這些模塊效率很高但成本不菲。下面的集中式解決方案比上面的解決方案使用了更多低壓差線性穩(wěn)壓器，成本雖低但其轉(zhuǎn)換損耗更大。整體效率最大化是否是提供最長電池壽命最重要的因素?或者成本是最重要的準則?或者是否有另一種電源樹配置能夠提供更優(yōu)的解決方案，既經(jīng)濟又高效?有一些 CAD 軟件程序可供經(jīng)驗豐富的設計人員根據(jù)特定技術規(guī)格在電源供應樹中選擇合適的插座，但人工智能可以改善這一過程，讓經(jīng)驗相對較少的電源工程師以最低的成本找到性能最佳的最優(yōu)解決方案。

圖 3 所示的兩種電源樹解決方案均能提供相同的最終結果。上面的分布式解決方案使用了更多的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊，這些模塊效率很高但成本不菲。下面的集中式解決方案比上面的解決方案使用了更多低壓差線性穩(wěn)壓器，成本雖低但其轉(zhuǎn)換損耗更大。整體效率最大化是否是提供最長電池壽命最重要的因素?或者成本是最重要的準則?或者是否有另一種電源樹配置能夠提供更優(yōu)的解決方案，既經(jīng)濟又高效?有一些 CAD 軟件程序可供經(jīng)驗豐富的設計人員根據(jù)特定技術規(guī)格在電源供應樹中選擇合適的插座，但人工智能可以改善這一過程，讓經(jīng)驗相對較少的電源工程師以最低的成本找到性能最佳的最優(yōu)解決方案。

RECOM正與一家人工智能軟件公司合作，該公司正在開發(fā)這樣一個自動化設計平臺，旨在提供有針對性的解決方案。人工智能算法將準確理解應用的功能需求，自動生成項目設計、原理圖和文檔，并挑選最優(yōu)元件以精簡設計，確保符合項目的具體參數(shù)要求。

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