基于片上狀態(tài)機的智能電源管理單元設(shè)計
AT73C203是美國愛特梅爾公司針對便攜式電子產(chǎn)品推出的高集成度智能電源管理芯片,適用于4.07~4.20V的各類鋰離子電池,提供多種輸入源選擇以及多路的DC/DC可編程變換輸出。
圖1 使用AT73C203作為電源管理核心的DSC原型設(shè)計
AT73C203的特點
(1)四路輸入源選擇,包括一節(jié)內(nèi)部鋰離子電池,一節(jié)外部可拆卸鋰離子電池,外接5V電源,以及USB-HUB。
(2)內(nèi)部狀態(tài)機能在沒有任何外部MCU介入的情況下單獨進行上電順序控制,輸入通道切換,安全關(guān)斷設(shè)備,以及USB預(yù)充電,快充電等操作。
(3)三路降壓DC/DC以及一路升壓降壓DC/DC級聯(lián) LDO的大電流變換器能夠為負載提供足夠的支持;三路均提供最高可達1.2A的輸出能力,且電壓可編程。
(4)兩個可配置的鋰離子電池充電器,提供預(yù)充電,快充電和滿充保持模式,可以根據(jù)不同型號的鋰離子電池調(diào)整不同的恒流恒壓充電算法。
(5)片上A/D轉(zhuǎn)換器實時監(jiān)控包括電池溫度,硅片溫度,DC/DC輸出終端以及輸入源端的電壓參數(shù)并提供過壓和欠壓保護與硬件復(fù)位。
(6)片上ISO7816模塊,SIM/USIM兼容接口。
(7)集成的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)FIFO。
(8)通用的SPI接口便于和MCU之間的通信及片上寄存器堆的訪問。
(9)上電復(fù)位電路,針對PXA250/PXA255等類似的32位架構(gòu)處理器,提供額外的系統(tǒng)級順序復(fù)位信號,最大程度簡化外圍上電邏輯電路。
(10)高精度低溫漂內(nèi)部振蕩器。
(11)高精度帶隙電壓基準。
(12)極低的電源消耗,關(guān)斷模式下,僅僅60μA的工作電流。
(13)片上恒流DAC,為熱敏電阻提供偏置,更大程度地提高安全性。
(14)外接電源充電和USB-HUB充電可供選擇。
(15)額外的可編程GPIO用于LED驅(qū)動和狀態(tài)顯示控制,節(jié)省了MCU的I/O引腳?!?BR>(16)MCU可控的充電算法。
(17)TF-BGA100的纖小封裝使得最終產(chǎn)品小巧輕便。
內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理
AT73C203的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 AT73C203結(jié)構(gòu)框圖
1 輸入源通道切換控制器
AT73C203具有多路輸入源可供選擇,除去一節(jié)內(nèi)部鋰離子電池作為系統(tǒng)固有供給外,外部可拆卸鋰電池,外接適配電源和USB-HUB等三種輸入源均可在必要時接入供電系統(tǒng),所有輸入源通過外部背靠背的MOSFET對相互隔離。同一時刻,在源通道切換控制器的調(diào)度下選通一路作為整個系統(tǒng)的電源供給,切換控制器根據(jù)內(nèi)部優(yōu)先級高低選擇當前有效的輸入源,確保負載供電以及狀態(tài)機控制在切換瞬間的連續(xù)性和穩(wěn)定性。
2 A/D轉(zhuǎn)換器
多輸入復(fù)用A/D轉(zhuǎn)換器用于系統(tǒng)電壓的監(jiān)控,包括各路DC/DC輸出終端以及輸入源端的電壓參數(shù),和芯片本身溫度參數(shù)等均配置了對應(yīng)的過壓/欠壓/中斷/屏蔽/復(fù)位等寄存器,通過硬件門限比較電路配合用戶軟件可以靈活地應(yīng)對工作時可能出現(xiàn)的各種突發(fā)故障,從而保護系統(tǒng)負載,并快速處理現(xiàn)場。
3 數(shù)字控制邏輯
數(shù)字控制部分提供了芯片與外部MCU的SPI接口以及對內(nèi)部其他單元的協(xié)調(diào)和管理,除了給出必要的輸入啟動/關(guān)斷/系統(tǒng)時鐘、輸出中斷請求和通用I/O控制信號外,這部分還提供了不同模擬數(shù)字電路之間的電平轉(zhuǎn)換功能,防止了由于電平不匹配造成的模塊間電流泄露。針對不同系統(tǒng)負載的輸入電壓參數(shù)要求,數(shù)字控制邏輯可以通過外部引腳來設(shè)定當前DC/DC的輸出工作電壓:RAIL 1可配置為1.2V/1.75V,而RAIL 2可配置在1.8V/2.5V。
4 鋰電池充電器
兩個可供使用的鋰電池充電器分別對應(yīng)了系統(tǒng)內(nèi)部鋰離子電池以及外部可拆卸鋰電池的補給需要。充電器除了狀態(tài)機可控外,同時還提供了涓流恒流預(yù)充,軟件控制快速恒流充電以及滿充保持/結(jié)束充電等模式。針對不同技術(shù)參數(shù)的鋰離子電池,為用戶提供了靈活的解決方案,并在溫度監(jiān)控機制和安全定時器的保護下確保充電的安全性。
5 ETS TS 102 221兼容
配置了獨立電壓可編程LDO作為電源供給的SIM接口,完全符合ISO/IEC 7816標準下的ETSI TS 102 221技術(shù)規(guī)范,同時支持T=0和T=1協(xié)議,集成的兩個16Byte FIFO和對應(yīng)的4位指針節(jié)省了MCU資源,包括差錯校驗、位流控制、數(shù)據(jù)超時、重發(fā)機制、中斷發(fā)生、通信速率及錯誤數(shù)目報告等在內(nèi)的功能單元都有詳細對應(yīng)的寄存器映射,通過適當簡便的配置即可快速地應(yīng)用到具有SIM/ USIM需求的系統(tǒng)中。
6 多路DC/DC變換器
四路變換器均與片上的900kHz高精振蕩源相連,振蕩器提供的各個分布時鐘經(jīng)過移相處理后可有效地防止同步開關(guān)現(xiàn)象的發(fā)生。
工作在1.2A、1.2V/1.75V的同步降壓穩(wěn)壓器1定位于應(yīng)用處理器內(nèi)核以及周邊ASIC或SOC等器件,1.2A、1.8V/2.5V同步降壓穩(wěn)壓器2則適合為板上FLASH、SDRAM以及外擴CF、MMC和Memory Stick等存儲芯片提供支持,520mA、3.3V的升壓降壓DC/DC級聯(lián)LDO變換器3可以作為音頻編解碼電路,點陣LCD顯示等模塊的電源供應(yīng)。額外的一路1.2A、0.9V的同步降壓穩(wěn)壓器4則迎合了深亞微米系統(tǒng)內(nèi)核更低電壓和大電流輸入的要求。
工作模式
為了應(yīng)對延長便攜式設(shè)備待機時間的設(shè)計挑戰(zhàn),設(shè)計時有以下工作模式可供切換。
1 普通工作模式
在系統(tǒng)某些部分需要正常供電或進行電源管理的情況下,芯片工作在此模式。包括輸入源通道切換控制器, DC/DC變換器,鋰離子電池充電器等片上資源通過一個由128個寄存器組成的寄存器堆進行監(jiān)管和控制,在某些系統(tǒng)負載處于閑置狀態(tài)或片上部分資源暫時與當前工作現(xiàn)場無關(guān)時,需要通過設(shè)置其映射的寄存器或寄存器組來將其關(guān)斷,以降低系統(tǒng)平均功耗
2 關(guān)斷待機模式
在系統(tǒng)的各個部分均處于非工作狀態(tài)時,整個系統(tǒng)中將僅有電源管理芯片時刻處于待命狀態(tài),此時芯片工作在關(guān)斷模式。在這個模式下,除了輸入源控制器、部分片上數(shù)字控制邏輯、上電復(fù)位電路以及內(nèi)部基準穩(wěn)壓器和10kHz振蕩器以外的所有單元都將被關(guān)斷,而在關(guān)斷模式中始終處于工作狀態(tài)的各個單元都使用了獨特的芯片工藝進行設(shè)計,最大限度地減小其工作電流,從而保證了當使用一塊容量為600mAh的鋰離子電池為系統(tǒng)供電時,電池可以在此模式連續(xù)待機三個月。
3 USB單獨工作模式
為了在通信的同時為電池補給電力, USB單獨工作模式為設(shè)計者提供了充電功能,通過對電池當前剩余電量的估計和判斷能夠進入充電的不同階段。當電池處于溫度適當且電壓較低(如<3.8V)的情況下,預(yù)充機制將被啟動,由相應(yīng)的安全充電定時器來對電池狀態(tài)進行監(jiān)控,如若在計時器溢出時電池的電壓仍然不能達到正??斐錉顟B(tài),則會被判為電池故障,由此保證系統(tǒng)安全性。
除此之外,在外部MCU處于睡眠的狀態(tài)下,芯片可以通過訪問對應(yīng)的模式寄存器,配合外部的CTN熱敏電阻,將鋰離子電池充飽至4.1V。以上所提到的關(guān)于USB的單獨工作模式都是以芯片內(nèi)部的優(yōu)化狀態(tài)機作為核心,也是狀態(tài)機控制流程中的一個組成部分。圖3是USB 睡眠充電模式的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,芯片以集成的方式對系統(tǒng)的電源進行管理,這樣的管理方式有別于其他帶有片上MCU硬核的ASSP,在節(jié)省功耗的前提下也不失靈活性,當應(yīng)用需要外部動態(tài)配置時,可以由用戶固件進行控制,通用的SPI接口和片上寄存器堆的實時訪問幫助用戶定制自己的設(shè)計。
圖3 USB睡眠充電模式的狀態(tài)機轉(zhuǎn)換流程
應(yīng)用設(shè)計技巧
輸入源通道切換控制器的隔離:輸入源不僅需要通過開關(guān)管連接到通道切換控制器,而且彼此必須相互隔離,使用背靠背的成對MOSFET可以借助管子的體二極管來達到通道隔離的目的,同時低RDS(ON)的MOSFET有助于提高電源效率,減少不必要的功率損耗對于電感式同步降壓穩(wěn)壓器,設(shè)計時選用的開關(guān)管應(yīng)當具有較小柵極載荷特性,降低轉(zhuǎn)換的開關(guān)損耗,提高開關(guān)效率。由于DC/DC的反饋電路提供了集成的方案,對于設(shè)計者來說不再需要過多考慮電源的回路增益 (穿越頻率)以及轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定問題,同時省去了復(fù)雜的回路零點與極點的計算和配置,通過選用較少的幾個外圍器件就能留有足夠的相位余量,達到穩(wěn)定可靠的目的。另外使用低ESR的陶瓷電容更有助于降低輸出紋波,降低噪聲。
值得一提的是,如果在設(shè)計中需要額外的一路3.6V電壓作為供給,我們可以在3.3V的升壓降壓DC/DC級聯(lián)LDO變換器3上動一些腦筋。在系統(tǒng)正常啟動的前提下,可以通過位于LDO之前的升壓/降壓DC/DC進行電源補給,但需要注意的是負載不能過重,以及調(diào)整適當?shù)纳想婍樞颍乐乖贚DO輸入端的電壓跌落導(dǎo)致其工作失效。在系統(tǒng)需要外部實時時鐘電源供給時,一種簡潔的思路是可以直接借助于內(nèi)部2.5V電壓基準,因為在系統(tǒng)關(guān)斷的情況下,這一部分仍然可以服務(wù)于不間斷的實時時鐘。
板級設(shè)計方面則要注意芯片電源地的相對位置,盡量使用獨立的電源和地平面以保證整個電源模塊的電源完整性(PI),最大程度地降低同步開關(guān)噪聲和阻抗不連續(xù)造成的系統(tǒng)穩(wěn)定性缺失。
測試與評估
圖4~圖6是我們編寫的虛擬儀器評估面板,用來對整個電源管理系統(tǒng)進行測試和評估。
圖4 VI監(jiān)控面板
圖5 VI充電面板
圖6 VI SIM 接口控制面板
包括當前輸入源配置、USB工作狀態(tài)、GPIO控制、正常工作顯示,過壓/欠壓/中斷/屏蔽/復(fù)位等系統(tǒng)監(jiān)控寄存器配置,DAC偏流控制,各路電壓調(diào)整(見圖4),充電源選擇,充電狀態(tài)切換,電流大小,安全定時器以及看門狗狀態(tài)(見圖5),SIM卡電源,時鐘,波特率,及相應(yīng)的屏蔽/狀態(tài)/控制/數(shù)據(jù)/指針等寄存器(見圖6)在內(nèi)的完整系統(tǒng)資源都可以得到測試和評估。
圖8給出了電池輸入4.0V,負載電流為600mA時1.2V輸出端的瞬態(tài)響應(yīng)和紋波情況。
圖7 RAIL1 輸出瞬態(tài)響應(yīng)及紋波
三路不同輸出電壓的同步降壓穩(wěn)壓器在各自帶動600mA負載時 (輸入電池4.0V),系統(tǒng)的DC/DC轉(zhuǎn)換效率可達到85%以上,包括其他系統(tǒng)資源在內(nèi)的整體工作效率視具體應(yīng)用略有差異。靈活地使用系統(tǒng)工作模式,以及狀態(tài)機機制能有效延長電池的工作時間。