TWL3024在3G終端電源管理中的應(yīng)用
摘 要：本文用一個實例介紹了TWL3024在3G移動終端中的電源管理策略，這種管理策略對于一般手持設(shè)備的節(jié)能降耗也具有一定的參考作用。
關(guān)鍵詞：TWL3024；3G；電源管理
前言
3G 終端電源管理的主要策略之一，就是設(shè)計轉(zhuǎn)化效率高的線性調(diào)壓器(因其低壓降特性稱為LDO)。盡管開關(guān)型調(diào)壓器的轉(zhuǎn)化效率較高，但由于線性調(diào)壓器在電壓輸出端產(chǎn)生的噪聲最小，而且LDO極小的紋波可以避免噪聲使手機(jī)發(fā)射器產(chǎn)生的RF載波蠕變，因此，線性調(diào)壓器仍舊占有主導(dǎo)地位。第二就是可以有效地利用電能，主要有以下途徑：1. 將處理某項任務(wù)時不需要的功能單元關(guān)掉，比如在進(jìn)行內(nèi)部計算時，將與外部通信的接口關(guān)斷或使其進(jìn)入睡眠狀態(tài)。2. 改變處理器的工作頻率和工作電壓。目前絕大多數(shù)的處理器是用CMOS工藝制造的。在CMOS電路中，最大的一項功率損耗是驅(qū)動MOSFET柵極所引起的損耗，其大小為Ploss= Cgf(Iout)Vin2, Cg為柵極電容，f為頻率，可以看出功率損耗與頻率和輸入電壓的關(guān)系。所以針對不同的運算和任務(wù)，把頻率和電源電壓降低到合適的值，可以有效地減少功率損耗。
TWL3024的結(jié)構(gòu)特點
TWL3024是模擬基帶處理和電源管理芯片，它將完整芯片組與應(yīng)用處理器的模擬與電源管理功能集成到同一個器件中，從而降低了板級要求、減少了芯片數(shù)目及開發(fā)成本。
TWL3024電源管理模塊的主要結(jié)構(gòu)特點：
a． TWL3024內(nèi)部采用的是高效率的LDO，LDO的控制接口是I2C總線可以訪問的寄存器，每個LDO的工作模式以及輸出電壓都可由中央處理器上執(zhí)行的電源管理軟件來配置，LDO不僅向中央處理器供電，而且負(fù)責(zé)整個芯片組和外設(shè)的供電。
b． DC/DC模塊，用于高效變換輸入電壓，以滿足LDO不同的輸出需求。
c． TWL3024有12個HCO(控制輸出接口)，用來傳遞到各主控模塊的時鐘或模式控制信號。
d． TWL3024有6個HII(控制輸入接口)，它是觸發(fā)系統(tǒng)狀態(tài)改變的一組內(nèi)部和外部信號，所有這些HCO和HII都是可編程的，用來觸發(fā)電源狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)改變并提供給應(yīng)用處理器基本時鐘和復(fù)位信號。
e． TWL3024有一個SMM(系統(tǒng)管理模塊)，由兩個相同的基于狀態(tài)機(jī)的硬件控制器構(gòu)成，分別稱為第一主控制器(Primary HOST controller)和第二主控制器(Secondary HOST controller)，用以管理HCO、LDO、DC/DC等電源管理資源。這兩個主控制器的操作是互相獨立的，也可以只使用其中一個來控制系統(tǒng)上電時電源管理資源的分配。每個主控制器由四個基本模塊組成：主系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)(HSSM)、程序序列裝置(Sequencer)、跳轉(zhuǎn)邏輯(Branch logic)和腳本代碼(script code)。HSSM控制sequencer來順序執(zhí)行script code所定義的系統(tǒng)可能的狀態(tài)模式，Branch logic允許HSSM選擇并跳轉(zhuǎn)到script code所定義的下一個模式。這些模塊共同作用來實現(xiàn)軟件所定義的主系統(tǒng)狀態(tài)模式的轉(zhuǎn)換。
圖1 OMAP系統(tǒng)狀態(tài)遷移圖
基于OMAP1611和
TWL3024的解決方案
TWL3024的電源管理方案是基于OMAP 處理器和TCS4105芯片組之上進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化的結(jié)果。從電池能量轉(zhuǎn)化的方面來說，TWL3024的LDO和DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率是很高的。從節(jié)能的角度來講，首先，TWL3024對OMAP、TCS4105芯片組及各系統(tǒng)外設(shè)都是分別供電的，當(dāng)處理某項任務(wù)時，不相關(guān)的功能單元可以斷電。例如，射頻單元中的功率放大部分消耗的功率占手機(jī)總功耗的一半左右，然而，大部分時間內(nèi)該元件又是不工作的，所以，關(guān)斷該部分可以提高電能的利用率，重新打開該單元可以通過TWL3024的HCO端口發(fā)送指令到射頻模塊來實現(xiàn)。其次，可以通過關(guān)閉或調(diào)低OMAP的工作頻率來控制功耗。像視頻流解碼這樣的任務(wù)可能需要大量的處理能力，器件將以最大的時鐘頻率運行，功率也被調(diào)節(jié)到能夠提供最大的I/O操作。但是，像待機(jī)狀態(tài)這樣簡單的任務(wù)就幾乎不需要處理器工作，僅用足夠的電壓刷新存儲器就可以了。TWL3024的DVS(動態(tài)電壓調(diào)整)技術(shù)有效地將處理器(如OMAP)與電源轉(zhuǎn)換器連接成閉環(huán)系統(tǒng)，通過I2C等總線動態(tài)地調(diào)節(jié)供電電壓，同時調(diào)節(jié)自身的頻率，這樣就使系統(tǒng)的節(jié)能達(dá)到盡可能高的程度。OMAP時鐘頻率的不同工作模式及其相互切換可以由OMAP處理器系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)來描述，系統(tǒng)狀態(tài)的種類及其相互間切換的條件可由用戶自己定義，用TWL3024腳本語言(script code)來編寫，最后由OMAP裝載到TWL3024中執(zhí)行，以實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能。
以下是一個定義OMAP處理器系統(tǒng)狀態(tài)的實例：OMAP系統(tǒng)狀態(tài)被定義為5個，分別是active(全速的處理器MIPS特性)狀態(tài)、activelow(低速的處理器MIPS特性)狀態(tài)、idle(處理器停止活動，但仍提供系統(tǒng)電源和時鐘)狀態(tài)、standby(處理器低于正常電壓供電且時鐘停止)狀態(tài)、off(處理器電壓和時鐘全部停止)狀態(tài)，每一種狀態(tài)就是在處理器特定執(zhí)行模式下的電源管理資源的一種靜態(tài)配置，圖1是這5種系統(tǒng)狀態(tài)的遷移圖。如圖所示，在系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先是運行默認(rèn)的、在上電復(fù)位時 TWL3024的腳本代碼，在對TWL3024內(nèi)部寄存器配置后，進(jìn)入由用戶定義的系統(tǒng)off狀態(tài)；其次，根據(jù)圖中狀態(tài)間遷移條件的不同，用戶需自行定義 11種腳本代碼來實現(xiàn)所要求的狀態(tài)遷移。一般而言，通過這種方法來細(xì)分處理器在不同操作模式下所需的工作電壓和頻率，可以很好地達(dá)到節(jié)能的效果。
腳本代碼的編寫非常簡單，只包含3條基本指令：TRS(target resource state)、DELAY、END。TRS指令指定HCO、LDO等資源所處的下一種系統(tǒng)狀態(tài)，并強(qiáng)迫當(dāng)前的狀態(tài)遷移到該狀態(tài)，圖1中的系統(tǒng)狀態(tài)有5種； DELAY指令插入若干個32KHz時鐘周期的時延，用來延緩腳本代碼的執(zhí)行，這條指令在當(dāng)LDO等資源需要一定的時間才能啟動且穩(wěn)定下來時是必須的； END指令標(biāo)識腳本代碼的結(jié)束，一個腳本代碼必須包含一條END指令，且可以只包含一條END指令。腳本代碼存儲在主控制器中相應(yīng)的寄存器中，代碼長度只受寄存器大小限制。
結(jié)語
由于TWL3024 采用了TI創(chuàng)新型電源管理系統(tǒng)，通過分化系統(tǒng)并在必要時將部分手持終端置于低功耗待機(jī)模式，可極大地降低功耗。利用該電源管理系統(tǒng)，可顯著延長采用 TCS4105 與 OMAP1611 處理器的 3G 移動終端的電池壽命，從而在不影響高性能應(yīng)用的情況下，將待機(jī)時間由現(xiàn)有解決方案延長兩倍。
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