最新典型的電源網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)例

本文通過詳細(xì)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(luò)(Power Distribution Network，PDN)。電源網(wǎng)絡(luò)管理模塊PDN可根據(jù)其處理器的電力需求來實(shí)現(xiàn)主微處理核MCU和其余高運(yùn)算能力芯片電壓資源的板級(jí)隔離。同時(shí)，利用這種板級(jí)電源隔離實(shí)現(xiàn)理想的產(chǎn)品功能體系結(jié)構(gòu)。

對(duì)于整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)PDN的設(shè)計(jì)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(rèn)內(nèi)部模塊管理NVM內(nèi)容

④　PMIC排序設(shè)置以支持高級(jí)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(xì)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(hào) (PN)，具有獨(dú)特的NVM設(shè)置以支持不同的最終產(chǎn)品用例和處理器類型。每個(gè)PMIC所具備的獨(dú)特NVM設(shè)置器件會(huì)針對(duì)每個(gè)PDN設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而支持不同的處理器、處理負(fù)載、SDRAM 類型、系統(tǒng)功能安全級(jí)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(shè)置可以通過模塊ID號(hào)NVM_ID 和 模塊寄存器NVM_REV來識(shí)別。每個(gè)PMIC 設(shè)備可通過部件號(hào)、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(dú)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(gè)串聯(lián)的外部功率 FET。PMIC通過OVPGDRV 引腳實(shí)現(xiàn)FET前后的電壓監(jiān)控，當(dāng)檢測(cè)到大于 6 V 的過壓事件時(shí)，F(xiàn)ET 可以在輸入電源上快速隔離 PMIC，以保護(hù)系統(tǒng)免受損壞。這包括來自的所有電源軌場(chǎng)效應(yīng)管輸出信號(hào)，F(xiàn)ET 上游連接的任何電源都不受過壓事件的保護(hù)。MCU和主要 I/O 域供電的負(fù)載開關(guān)，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(duì)這些處理器域和分立電源的過電壓保護(hù)能力。

此外，從如上圖所示的整個(gè)電源管理模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，還包含如下一些相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。

在如上配置中，兩個(gè) PMIC使用 3.3 V 輸入電壓。對(duì)于功能安全應(yīng)用，在VCCA之前有一個(gè)保護(hù)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(shè)備的第一個(gè)電壓，PMIC的VIO_IN在VCCA之后通過負(fù)載開關(guān)為對(duì)應(yīng)PDN中的VIO_IN 供電。該負(fù)載開關(guān)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(hào)可以確保在MCU Only低功耗模式期間可以保持活動(dòng)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(duì)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(rèn)值的處理端 LDO可以通過GPIO控制信號(hào)將初始的電壓I/O值設(shè)置為3.3 V。處理器上電期間，引導(dǎo)加載程序SW 可以將 GPIO 信號(hào)設(shè)置為低電平，從而確保使用端根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)碾娖?1.8 V)。同時(shí)，在未啟動(dòng) MCU 的情況下，PMIC可以控制 LDO1 電壓處理器在操作系統(tǒng)啟動(dòng)期間與PMIC建立 I2C 通信。

這里我們可以舉例說明對(duì)一些超異構(gòu)芯片是如何實(shí)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(luò) PDN 中使用是四個(gè)分立電源組件，其中三個(gè)是必需的，一個(gè)是可選的，具體取決于根據(jù)最終產(chǎn)品的特點(diǎn)。兩個(gè)TPS22965-Q1負(fù)載開關(guān)將 VCCA_3V3 電源軌連接到電源保護(hù)處理器 I/O 域。通常需要兩個(gè)負(fù)載開關(guān)才能實(shí)現(xiàn)隔離計(jì)算域NPU和實(shí)時(shí)域MCU，對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行單獨(dú)控制，當(dāng)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(chǔ)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(hào)來提供錯(cuò)誤監(jiān)控、處理器復(fù)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(hào)，這樣可以確保在只有少數(shù) GPIO 引腳的情況下保持正常運(yùn)行在低功耗模式下。

如今，這樣的任務(wù)是由技術(shù)嫻熟且經(jīng)驗(yàn)豐富的元件工程師來完成。人工智能不會(huì)取代這項(xiàng)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(gè)兼容候選產(chǎn)品的繁瑣工作。

自動(dòng)導(dǎo)引車系統(tǒng)的優(yōu)化分布式電源架構(gòu)

許多電路設(shè)計(jì)需要多個(gè)板級(jí)電源電壓。例如，自主駕駛或自動(dòng)引導(dǎo)車 (AGV) 可以沿著城市的人行道自行運(yùn)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(dá)或激光雷達(dá)進(jìn)行物體檢測(cè)的系統(tǒng)、GPS 定位系統(tǒng)、微控制器以及若干電機(jī)驅(qū)動(dòng)器——所有這些都由單個(gè)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(huì)根據(jù)負(fù)載和充電狀態(tài)變化，從耗盡時(shí)的 24 V 到剛充滿時(shí)的 54 V，瞬態(tài)輸入電壓范圍為 20 V 至 60 V[1]。各板級(jí)電壓可調(diào)，電機(jī)控制器為 +15 V，攝像頭和超聲波傳感器為 +12 V，激光雷達(dá)系統(tǒng)為 +300 V，GPS 子系統(tǒng)為 3.4V，微控制器、接口和存儲(chǔ)器 IC 分別為 +5 V、+3.3 V、1.8 V 和 1.2 V。車輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)將直接采用電池供電。顯然，這些板級(jí)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(dú)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(gè)系統(tǒng)進(jìn)一步調(diào)節(jié)電源，或者結(jié)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(jié)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(zhǔn)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(jì)又高效?有一些 CAD 軟件程序可供經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員根據(jù)特定技術(shù)規(guī)格在電源供應(yīng)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(yàn)相對(duì)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(jié)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(zhǔn)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(jì)又高效?有一些 CAD 軟件程序可供經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員根據(jù)特定技術(shù)規(guī)格在電源供應(yīng)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(yàn)相對(duì)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(gè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，旨在提供有針對(duì)性的解決方案。人工智能算法將準(zhǔn)確理解應(yīng)用的功能需求，自動(dòng)生成項(xiàng)目設(shè)計(jì)、原理圖和文檔，并挑選最優(yōu)元件以精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)，確保符合項(xiàng)目的具體參數(shù)要求。

市場(chǎng)營銷領(lǐng)域的人工智能

大多數(shù)人都會(huì)聽說過 ChatGPT，一種‘大型語言模型’，它利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)書面問題作出智能回復(fù)。2022年底發(fā)布后迅速成為有史以來增長最快的軟件應(yīng)用程序，短短幾個(gè)月內(nèi)就吸引了超過 1 億名用戶。繼原始免費(fèi)版本取得成功之后，最新的付費(fèi)版本進(jìn)一步增強(qiáng)了人工智能的功能，可以根據(jù)用戶的提示生成圖像和文本。其他人工智能平臺(tái)現(xiàn)在能夠根據(jù)文本和圖像輸入創(chuàng)建帶有口頭評(píng)論的虛擬形象視頻。

RECOM開始利用這些人工智能工具制作簡(jiǎn)單的博客文章和短視頻，用以宣傳新產(chǎn)品的發(fā)布(見圖 4)。RECOM 是一家高度創(chuàng)新的公司，平均每周發(fā)布一款新產(chǎn)品。我們需要以快速簡(jiǎn)潔的方式向我們龐大的客戶群(超過 10 萬名客戶)通報(bào)這些新動(dòng)態(tài)，而不是用每周的短信和新聞稿輪番轟炸，因此，發(fā)布一篇簡(jiǎn)短的博客、播客或 YouTube 視頻是保持客戶了解最新信息的理想方式，且不會(huì)顯得過于強(qiáng)迫。然而，傳統(tǒng)的視頻拍攝、音頻錄制或圖像動(dòng)畫是一個(gè)非常耗時(shí)耗財(cái)?shù)倪^程，因此我們必須非常慎重地選擇，只有那些主要產(chǎn)品才值得投入額外時(shí)間和資源。

利用人工智能自動(dòng)生成的文本、音頻和視頻，我們能夠根據(jù)需求生成信息豐富的視頻片段、播客和博客，這樣既為客戶節(jié)省了時(shí)間，不占用過多收件箱空間，同時(shí)還能向其提供我們不斷更新的產(chǎn)品組合的最新信息。這也意味著我們能夠迅速制作出多種語言版本的新視頻，以支持本地市場(chǎng)，并且能夠迅速更新客戶溝通內(nèi)容，無論是臨時(shí)更正還是功能新增。更不用說，RECOM 的專家們總是在發(fā)布前仔細(xì)校對(duì)材料。

隨著人工智能生成視頻、文本和音頻的能力不斷提升，我們?cè)谑袌?chǎng)營銷活動(dòng)中增強(qiáng)創(chuàng)意的機(jī)會(huì)也在不斷增加。例如，我們可以使用客戶的本地語言提供更全面的信息，或者實(shí)施分層的產(chǎn)品營銷策略。這種方法包括對(duì)主要優(yōu)勢(shì)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，以吸引更廣泛的受眾群體，并對(duì)技術(shù)進(jìn)展和特定功能進(jìn)行詳細(xì)探討，以滿足高級(jí)用戶的需求。作為一家專注于提供解決方案而非僅僅提供產(chǎn)品的技術(shù)公司，人工智能軟件在決定我們的未來發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。盡管人工智能無法取代我們工程師和銷售支持團(tuán)隊(duì)所具備的深厚知識(shí)、技能和經(jīng)驗(yàn)，但它作為一種有價(jià)值的工具，有助于我們提高對(duì)客戶的服務(wù)水平。通過利用人工智能，我們旨在提升產(chǎn)品和服務(wù)的整體質(zhì)量，確保為我們的客戶提供更加個(gè)性化和高效的體驗(yàn)。