基于片上狀態(tài)機(jī)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(diǎn)

（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(jī)能在沒有任何外部MCU介入的情況下單獨(dú)進(jìn)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?yàn)樨?fù)載提供足夠的支持；三路均提供最高可達(dá)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(shí)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(hù)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(zhǔn)。
（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。　
（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(dāng)前有效的輸入源，確保負(fù)載供電以及狀態(tài)機(jī)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(hù)系統(tǒng)負(fù)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(fù)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(dāng)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(bǔ)給需要。充電器除了狀態(tài)機(jī)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(jī)制和安全定時器的保護(hù)下確保充電的安全性。

5 ETS TS 102 221兼容

配置了獨(dú)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(biāo)準(zhǔn)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(yàn)、位流控制、數(shù)據(jù)超時、重發(fā)機(jī)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(xì)對應(yīng)的寄存器映射，通過適當(dāng)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(kuò)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(diǎn)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(jī)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(jìn)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(jìn)行監(jiān)管和控制，在某些系統(tǒng)負(fù)載處于閑置狀態(tài)或片上部分資源暫時與當(dāng)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(jī)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(zhǔn)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(dú)特的芯片工藝進(jìn)行設(shè)計，最大限度地減小其工作電流，從而保證了當(dāng)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(jī)三個月。

3 USB單獨(dú)工作模式

為了在通信的同時為電池補(bǔ)給電力， USB單獨(dú)工作模式為設(shè)計者提供了充電功能，通過對電池當(dāng)前剩余電量的估計和判斷能夠進(jìn)入充電的不同階段。當(dāng)電池處于溫度適當(dāng)且電壓較低（如<3.8V）的情況下，預(yù)充機(jī)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(jìn)行監(jiān)控，如若在計時器溢出時電池的電壓仍然不能達(dá)到正常快充狀態(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(dú)工作模式都是以芯片內(nèi)部的優(yōu)化狀態(tài)機(jī)作為核心，也是狀態(tài)機(jī)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(jìn)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(dāng)應(yīng)用需要外部動態(tài)配置時，可以由用戶固件進(jìn)行控制，通用的SPI接口和片上寄存器堆的實(shí)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(jī)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(dá)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(dāng)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(diǎn)與極點(diǎn)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(dá)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(jìn)行電源補(bǔ)給，但需要注意的是負(fù)載不能過重，以及調(diào)整適當(dāng)?shù)纳想婍樞?，防止在LDO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(shí)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(zhǔn)，因?yàn)樵谙到y(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(shí)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(dú)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(jìn)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(dāng)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(fù)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(fù)載時 （輸入電池4.0V），系統(tǒng)的DC/DC轉(zhuǎn)換效率可達(dá)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(jī)機(jī)制能有效延長電池的工作時間。