在任何嵌入式控制應(yīng)用中，所有數(shù)據(jù)處理的核心部件是微控制器、微處理器或FPGA。要滿足眾多終端設(shè)備對存儲、功耗、系統(tǒng)電路板大小以及成本等的要求，這些核心器件的架構(gòu)都要求具備高度的控制、連接和安全特性。然而，這些數(shù)據(jù)處理核心部件需要先進的電源管理系統(tǒng)以及許多開關(guān)和線性降壓(LDO)穩(wěn)壓器提供強大的支持，因此對系統(tǒng)設(shè)計師而言一個最重要的問題就是選擇電源管理架構(gòu)。本文將討論如何克服各種嵌入式系統(tǒng)目前面臨的電源管理挑戰(zhàn)，并演示數(shù)字設(shè)計工程師如何利用在線嵌入式開發(fā)網(wǎng)站來協(xié)助決策，以更加從容地為大量嵌入式控制器和處理器遴選合適的電源管理和信號路徑產(chǎn)品。
目前的電源管理設(shè)計挑戰(zhàn)
當前的高效率開關(guān)和線性穩(wěn)壓器可以提供較大的輸出電流、較寬的輸出電壓范圍和較高的頻率，不僅不需要使用外部補償電路，而且允許使用更小的外部無源器件。用的無源器件越小越少，所需的電路板面積也就越小，材料成本也就越低。更低的Rdson特性意味著更低的傳導損失和更高DC/DC轉(zhuǎn)換效率,配合斷電模式時很低的靜態(tài)電流，最終將形成更智能的高能效電源管理系統(tǒng)PowerWise，進而支持目前許多嵌入式控制器/處理器產(chǎn)品業(yè)已具備的高級的節(jié)能技術(shù)。
系統(tǒng)設(shè)計師面臨的眾多挑戰(zhàn)之一是：確保設(shè)計的方案能夠一次性通過、所用的電源可以具備一定的“彈性”，足以支持今后系統(tǒng)的升級，而無需對電路板作重大的改動。處理任何最終設(shè)備中的電源、地和輻射噪聲耦合問題以及電路板屏蔽問題都決非易事，許多數(shù)字設(shè)計師通常把這里問題視為“魔匣”。由此可以理解為何當前的大量電源設(shè)計都是直接去“拷貝、粘貼和復用”已被證明可用的先前設(shè)計。通常認為，需要折中考慮輸入/輸出電壓范圍和負載電流。當電源和控制器/處理器/FPGA之間的壓差很大時，最好選用開關(guān)穩(wěn)壓器，因為它們的效率高，適合用于給處理內(nèi)核和I/O供電。當輸入輸出電壓差較小時，線性穩(wěn)壓器的效率更優(yōu)，特別是在要求極低噪聲和紋波電壓時。圖1對設(shè)計工程師在選擇電源管理方案時要考慮的關(guān)鍵設(shè)計因素和系統(tǒng)要求作了總結(jié)。
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| 圖1：進行嵌入式系統(tǒng)電源管理設(shè)計時需要考慮的因素和系統(tǒng)要求。 |
利用Web資源協(xié)助設(shè)計嵌入式系統(tǒng)的電源管理解決方案
直到20世紀90年代末期，印刷版的產(chǎn)品選擇器指南一直都是系統(tǒng)設(shè)計工程師獲得詳細產(chǎn)品信息的唯一來源。當時他們面臨的挑戰(zhàn)是通過比較多種產(chǎn)品、芯片規(guī)格和電子參數(shù)來尋找“最合適的”嵌入式控制器或處理器，而不考慮電源管理的要求。幸運的是，隨著時間的推移，我們已經(jīng)能夠脫離那種繁重的工作，可以采用智能在線“搜索和比較”工具來完成相同的工作。
隨著市場上大量嵌入式微控制器和處理器的出現(xiàn)，設(shè)計師在為特定的終端應(yīng)用選擇最佳解決方案時也面臨很大的困難。不管制造商聲稱可以提供多高的MIPS和Drystones，對處理內(nèi)核周邊的外部要求一直存在爭論。調(diào)查表明，尋找能夠兼容開發(fā)實驗室在用開發(fā)工具的合適微控制器/處理器需要花費許多時間。因此，現(xiàn)在設(shè)計工程師優(yōu)選www.embeddeddeveloper.com 網(wǎng)站作為嵌入式控制器/處理器/FPGA在線搜索工具。該網(wǎng)站支持相關(guān)的軟硬件開發(fā)工具，并提供高性能模擬產(chǎn)品的補充參考資料。
嵌入式開發(fā)者網(wǎng)站可以幫助設(shè)計工程師盡可能快速高效地開發(fā)可用的嵌入式解決方案。不同情形和不同用戶一般需要不同的搜索選項，而經(jīng)過適當設(shè)定的嵌入式開發(fā)者的“搜索與比較”引擎可以滿足各種需求。例如，最終目標是純處理性能，那么網(wǎng)站允許用戶根據(jù)眾多的行業(yè)標準對CPU的Dhrystone性能進行交叉比較。獲得在所有主處理器的衍生產(chǎn)品之間或在32/64位和6/16位處理器子集中進行搜索的能力是容易的，但關(guān)鍵在于它能縮小控制器、處理器、FPGA的搜索范圍，從而只需很少幾次點擊就能完全匹配設(shè)計要求。搜索菜單的任意組合均能構(gòu)成有效的搜索，可以先選擇最重要的片上特性(如以太網(wǎng)、CAN、A/D等)，在不久前還增加了額外的重要參數(shù)，如定時器、閃存大小以及速度等級。一旦搜索完成，就可以用比較特性查看下一層細節(jié)，然后就能對眾多的控制器/處理器/FPGA逐項進行比較。
當這一步完成后，接下來就是關(guān)注外部模擬和混合信號器件，它們也是整體系統(tǒng)的必要組成部分。這里，美國國家半導體推薦了一些實用的電源管理和信號路徑產(chǎn)品。當這些產(chǎn)品確定好后，最后一步就是點擊對應(yīng)的制造商產(chǎn)品網(wǎng)頁和相關(guān)的軟硬件開發(fā)工具，同時可對美國國家半導體導體的模擬產(chǎn)品進行在線設(shè)計和原型分析。
在對嵌入式解決方案做出選擇后，系統(tǒng)會推薦一些美國國家半導體的產(chǎn)品作為推薦的電源管理或信號路徑配屬解決方案。然而，如果設(shè)計工程師要求更多的設(shè)計細節(jié)或其它可選項，也可以通過美國國家半導體的WEBENCH在線仿真工具進行設(shè)計、優(yōu)化和創(chuàng)建其它設(shè)計。在嵌入式開發(fā)者主頁上的WEBENCH條上點擊鼠標也能實現(xiàn)相同的功能，它可幫助設(shè)計工程師進行如下工作：
1. 進行選擇：a.輸入設(shè)計要求，也就是供電電壓、供電電流和輸出電壓，如果目標值還沒有確定，可以使用絕對最大額定值。b.可以選擇由美國國家半導體公司推薦并經(jīng)過實際驗證的電源管理產(chǎn)品，它們可以與所選的嵌入式控制器很好地一起配合工作?；蛘哌x擇其它推薦的產(chǎn)品。
2. 進行設(shè)計：a.對元件進行調(diào)整，測試工作值，如功耗、電流、偏移和漂移電壓以及頻率響應(yīng)。b.調(diào)換模擬和無源器件以比較它們的性能、尺寸和成本。
3.進行分析：a.仿真電路，評估電磁干擾和散熱性能。b.與以前創(chuàng)建的設(shè)計進行比較，以取得最優(yōu)的性能。
4. 進行創(chuàng)建：a.下載自動生成的CAD文件和測試指令。b.申請樣品，并購買器件/演示板。
5. 進行測試：執(zhí)行板級測試，下載定制測試向量并根據(jù)虛擬結(jié)果驗證實際電路板功能。
對系統(tǒng)設(shè)計師來說，既定嵌入式控制器/處理器/FPGA進行仿真電源設(shè)計并根據(jù)顯示圓點圖來檢查元件波形和元件值的變化，都是很重要的能力。虛擬仿真的另外一個好處是，所有仿真都有歷史記錄，因此很容易根據(jù)以前的仿真記錄來精確調(diào)整設(shè)計。雖然目前許多控制器的功耗都很小，但設(shè)計師還是很樂意認識WEBENCH功能，因為這些功能有助于定義散熱問題，并能在特定負載和環(huán)境條件下輸出彩色的PCB圖。
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為嵌入式系統(tǒng)提供優(yōu)秀的PowerWise電源管理工具
來自飛思卡爾公司的MCF5475微控制器采用的是ColdFire V4e CPU，該CPU具有一個增強型乘法累加單元(EMAC)、一個存儲管理單元(MMU)和一個雙精度浮點單元(FPU)。MCF5475的工作速度可以高達266MHz或410MIPS(Dhrystone 2.1)。它集成有快速以太網(wǎng)控制器(FEC)、USB、UART、USART、IRDA、I2C和DMA SPI，因此可以提供真正的片上通信功能。另外，它在硬件上支持各種互聯(lián)網(wǎng)安全標準。該產(chǎn)品是一種高性價比的系統(tǒng)解決方案，可適合許多應(yīng)用，如工業(yè)路由器、高端POS終端、樓宇自動化系統(tǒng)以及工藝控制設(shè)備。
MCF5475對電源有三個要求，即對于高性能、低功率和內(nèi)部內(nèi)核邏輯單元提供1.5V，對于DDR SDRAM總線接口提供2.5V，對于其它所有I/O功能提供3.3V。對電源管理系統(tǒng)的上述需求，是確保MCF5475正常運行的關(guān)鍵。LM3671的開關(guān)頻率很高(2MHz)，意味著所選的外部電感可以很小，加上僅有的兩個小電容，因此電路板面積非常小，總的系統(tǒng)成本也有所降低。在全負載范圍內(nèi)，LM3671可以提供高達90%的效率和350mA的電流，在待機和工作狀態(tài)它都有很高的效率，并且瞬態(tài)上沖、下沖可以忽略不計。通過一個使能引腳可以在微控制器處于斷電或睡眠模式時關(guān)閉LM3671，此時它只消耗1uA的電流。這個特性對典型的嵌入式控制器來說非常有吸引力，因為它們有很大部分時間處于待機或低功率模式，對電池供電的設(shè)備來說優(yōu)勢更加明顯。LM3671還支持低噪聲PWM和低電流PFM模式之間的智能開關(guān)特性，因此特別適合給電池供電設(shè)備中的超低壓電路供電。
LM3671還適合給使用單鋰離子電池或3節(jié)鎳氫、鎳鎘電池的超低壓電路供電。由于它具有欠壓鎖止(UVLO)、過流和過溫保護等功能，因此LM3671是給下列應(yīng)用中的高性能處理器和嵌入式控制器供電的理想電源器件，這些應(yīng)用包括條碼掃描儀、POS終端、消費類電子、便攜式醫(yī)療儀器、WLAN設(shè)備和便攜式GPS系統(tǒng)等。
恩智浦半導體公司的LPC2468是圍繞著一個16位/32位ARM7TDMI-S CPU內(nèi)核設(shè)計的，該器件的工作速度可達72Mhz或64 Dhrystone MIPS。LPC2468內(nèi)置512kB的片上高速閃存，可以執(zhí)行32位ARM和16位Thumb指令，因此允許數(shù)字設(shè)計工程師在子例程級優(yōu)化程序的性能或代碼尺寸。LPC2468支持許多功率控制性能，包括空閑、睡眠和斷電模式。CPU時鐘可以通過重新配置PLL值和(或)改變CPU時鐘分頻值進行控制，可以根據(jù)應(yīng)用要求權(quán)衡功率和處理速度的關(guān)系。另外，片上外設(shè)功率控制功能允許關(guān)閉到單個片上外設(shè)的時鐘，通過消除程序暫時不用的所有外設(shè)的全部動態(tài)功耗可以精確優(yōu)化器件的功耗。
LPC2468具有兩個獨立的電源域，大部分電路斷電時仍可以同時保持實時時鐘(RTC)和電池RAM的正常工作。I/O通過3.3V的Vdd引腳供電，Vdd(DCDC)引腳則給片上的DC/DC轉(zhuǎn)換器供電，然后再由轉(zhuǎn)換器給CPU內(nèi)核及外設(shè)供電。由于需要考慮功耗，因此將Vdd和Vdd(DCDC)連接在一起是沒有意義的。雖然這種方法只要求一個3.3V的電源，但這種方法存在固有的缺陷：無法在CPU和外設(shè)工作時“隨時”單獨關(guān)閉I/O電源。最佳的選擇是使用兩個電源，一個3.3V供給I/O(Vdd)，另一個3.3V專門給CPU(Vdd DCDC)。
要給Vdd和Vdd(DCDC)電軌供電，美國國家半導體的LP2966(雙路超低降壓穩(wěn)壓器)是很好的選擇(圖2)。這兩個穩(wěn)壓器的輸入電壓范圍是+2.7~+7.0V，在整個溫度范圍內(nèi)可以提供150mA的輸出，每個穩(wěn)壓器都可以被單獨關(guān)閉。由于它具有特別低的靜態(tài)電流(Iq≦1uA)和很低的壓降，因此能夠完全滿足任何LPC24xx電池供電或便攜式終端應(yīng)用中的低功率要求。在斷電期間，穩(wěn)壓器的所有主要功能都被關(guān)閉，當它被快速開啟切換回來時不產(chǎn)生過多的過沖非常關(guān)鍵，因為過沖是設(shè)計師在處理如此低Iq值時經(jīng)常要面臨的挑戰(zhàn)。正因為如此，LP2966在超低壓降和超低靜態(tài)電流方面已經(jīng)成為行業(yè)標桿。LP2966每個輸出都有寬范圍的預置值可設(shè)，具有低噪聲性能、低地腳電流以及采用特別小的MSOP-8封裝的LP2966被認為是業(yè)界最先進的穩(wěn)壓器件。
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| 圖2：用于NXP的LPC2468嵌入式控制器的PowerWise電源管理解決方案。 |
要給Vdda(給內(nèi)部ADC和DAC供電的模擬電源)和Vref(內(nèi)部ADC和DAC的參考電壓)供電，美國國家半導體的LP5900(超低噪聲線性穩(wěn)壓器)是很好的選擇。它能提供150mA的輸出電流，可以為內(nèi)部ADC和DAC提供非常純凈的電壓參考(6.5uVrms)，從而實現(xiàn)絕對出色的轉(zhuǎn)換精度。當然還有其它一些因素會影響Vref精度，如負載/線性調(diào)整、長期漂移(穩(wěn)定性)和溫度變化。雖然這些效應(yīng)通常是次要的因素，但要使可接受的參考電壓具有余量的話，必須將這些因素考慮進去。由于只需要兩個陶瓷電容(0.47μF)，不需要用噪聲旁路濾波器，因此可以顯著節(jié)省電路板面積和成本。LP5900的輸出噪聲非常低，并且采用優(yōu)秀的帶隙設(shè)計，在1kHz點具有85dB的高電源紋波抑制比(PSRR)，因此對NXP控制器周邊對噪聲敏感的其它射頻和無線設(shè)備(如給VCO供電)性能沒有負面影響。
本文小結(jié)
盡管本文僅列舉了一些美國國家半導體為嵌入式系統(tǒng)提供的幾個PowerWise電源管理解決方案，但著重講解了嵌入式控制器的選擇方法以及相關(guān)的優(yōu)化實用的電源管理解決方案。這些方法可以為數(shù)字設(shè)計工程師提供初始的基本實驗框架。在嵌入式控制器、處理器和FPGA主流領(lǐng)域中，嵌入式開發(fā)者網(wǎng)站提供了目前最強大而且用戶界面友好的在線數(shù)據(jù)庫。它能根據(jù)非常精確和具體的標準實現(xiàn)特別精確的搜索，可以使數(shù)字設(shè)計工程師的搜索時間從小時減少到分鐘。然而最大的好處是能夠評估外部高性能模擬功能，允許數(shù)字領(lǐng)域外的系統(tǒng)集成商根據(jù)他們的特殊要求訪問和仿真模擬部分的性能。而今，產(chǎn)品的快速上市(Time to market)策略尤其重要。因此，數(shù)字嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師更快地一次性確定電源管理解決方案對任何終端產(chǎn)品來說都非常關(guān)鍵。
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