電源管理芯片的低功耗OMAP系統(tǒng)設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制作工藝技術(shù)的不斷提高，使電路板上的器件運(yùn)行速度更快、體積更小。供電系統(tǒng)要求更多種類的電壓、更低的供電電壓和更大的供電電流。電源設(shè)計(jì)不再僅僅局限于提供電流、電壓和監(jiān)控溫度，還必須診斷電源供應(yīng)情況、靈活設(shè)定每個(gè)輸出電壓參數(shù)。普通的模擬解決方案難以滿足這些需求。數(shù)字電源的目標(biāo)就是將電源轉(zhuǎn)換與電源管理用數(shù)字方法集成到單個(gè)芯片中，實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換、控制和通信。
    數(shù)字電源實(shí)現(xiàn)了數(shù)字和模擬技術(shù)的融合，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性，具備直接監(jiān)視、處理及適應(yīng)系統(tǒng)條件的能力。數(shù)字電源還可通過(guò)遠(yuǎn)程診斷確保持續(xù)的系統(tǒng)可靠性，實(shí)現(xiàn)故障管理、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)、自動(dòng)冗余等功能。但是數(shù)字電源不比傳統(tǒng)的模擬電源效率更高，而且成本一般較高。目前數(shù)字電源需要大濾波器，這使其工作效率比模擬電源低。
    本文介紹一種在嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)OMAP5912上使用簡(jiǎn)單的數(shù)字電源實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)的方法。使用TI公司的電源轉(zhuǎn)換和電壓監(jiān)控芯片TPS65010實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP系統(tǒng)各種狀態(tài)的檢測(cè)。在不同狀態(tài)下輸出不同的供電電壓，減小供電電流，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行。該設(shè)計(jì)方法適用于各種低功耗要求的手持電子設(shè)備。

1 TPS65010和OMAP5912
    TPS65010是TI公司推出的一款針對(duì)鋰離子供電系統(tǒng)的電源和電池管理芯片。TPS65010集成了2個(gè)開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器Vmain和Vcore、2個(gè)低壓差電源轉(zhuǎn)換器LD01和LDO2以及1個(gè)單體鋰離子電池充電器，非常適合手持電子設(shè)備的應(yīng)用要求。當(dāng)12 V直流電源適配器接通時(shí)，芯片無(wú)需開(kāi)關(guān)電路。在實(shí)際使用中，Vmain可以提供2．5～3．3 V電壓，Vcore可以提供O．8～1．6 V電壓，LD01和LDO2可以提供1．8～6．5 V電壓。各個(gè)不同電壓下的電流一般可以達(dá)到400 mA，滿足大部分手持設(shè)備的需求?？梢酝ㄟ^(guò)I2C總線對(duì)TPS65010的各種寄存器進(jìn)行設(shè)置，也可以通過(guò)通用的引腳將重要的信息通知TPS65010，例如可以通過(guò)LOW_POWER引腳使TPS65010輸出低功耗模式下的工作電壓。
    OMAP5912是TI公司推出的嵌入式DSP，具有雙處理器結(jié)構(gòu)，片內(nèi)集成ARM和C55系列DSP處理器。TI925T處理器基于ARM9核，用于控制外圍設(shè)備。DSP基于TMS320C55X核，用于數(shù)據(jù)和信號(hào)處理，提供1個(gè)40位和1個(gè)16位的算術(shù)邏輯單元(ALU)。由于DSP采用了雙ALU結(jié)構(gòu)，大部分指令可以并行運(yùn)行，工作頻率達(dá)到150 MHz，并且功耗更低。C55和ARM可以聯(lián)合仿真，也可以單獨(dú)仿真。
    OMAP5912內(nèi)部專門配置了超低功率設(shè)備(Ultra Low Power Device，ULPD)。ULPD模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    從圖1可以看出，ULPD模塊主要由復(fù)位管理器、FIQ管理器以及睡眠模式狀態(tài)機(jī)組成。片內(nèi)ULPD和OMAP5912芯片內(nèi)部的復(fù)位產(chǎn)生模塊以及芯片IDLE和喚醒狀態(tài)控制器相連接。片外ULPD的復(fù)位管理器負(fù)責(zé)檢測(cè)上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位，并將片內(nèi)的復(fù)位信號(hào)輸出；FIQ管理器專門用于檢測(cè)電池電壓，一旦出現(xiàn)電池電壓低于或高于系統(tǒng)要求，或者電池電源質(zhì)量不高(紋波較大、過(guò)沖較大、瞬間脈沖較大)等，F(xiàn)IQ管理器將中斷系統(tǒng)工作；睡眠模式狀態(tài)機(jī)負(fù)責(zé)檢測(cè)和輸出不同的工作方式，在不同的工作方式下將提供不同的電壓和電流，從而降低系統(tǒng)功耗。共有3種睡眠模式：正常工作模式、Big Sleep模式和Deep Sleep模式。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    較完整的手持設(shè)備系統(tǒng)主要由OMAP5912、TPS6501O、AD／DA、LCD、SDRAM、人機(jī)接口以及Flash組成。其硬件連接如圖2所示。圖中，DSP是核心控制單元；AD用于采集模擬信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)；DA將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)；人機(jī)接口主要包括鍵盤接口。Flash保存DSP所需的程序，供DSP上電調(diào)用。此外，使用DSP的HPI接口連接到PC機(jī)。

3 TPS65010和OMAP5912的硬件設(shè)計(jì)
    TPS65010和OMAP5912的連接是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，具體硬件連接如圖3所示。TPS650lO可以提供OMAP5912所需的各種電壓，但是核心運(yùn)算單元需要的CVDDA以及重要外設(shè)需要的DVDD4由TPS7620l從Vmain電壓轉(zhuǎn)換得到。具體的TPS76201的硬件連接如圖4所示。TPS7620l將Vmain的3．3V電壓轉(zhuǎn)換成1．6 V提供給OMAP，只要Vmain的電壓不低于1．8 V，TPS76201都將穩(wěn)定地輸出1．6 V電壓，以確保OMAP在任何情況下，即使是深度睡眠狀態(tài)，核心運(yùn)算單元和重要的外設(shè)都有穩(wěn)定的電源保證。注意，如果不要求OMAP系統(tǒng)的低功 耗設(shè)計(jì)，CVDDA和 DVDD4可以直接連接到Vcore。

    TPS65010的Vcore輸出1．6 V電壓提供給OMAP的其他核，這些核電壓在低功耗狀態(tài)下均可以降低到1．1 V。TPS65010的VLDO1和VLDO2輸出2．75V電壓提供給OMAP的其他外設(shè)，這些電壓和常規(guī)的3．3 V存在一定的電壓差，但不影響數(shù)據(jù)傳輸。一般情況下，高電平只要達(dá)到2 V以上就可以了；低功耗狀態(tài)下，VLDO1和VLDO2都降低到1．1 V。使用2個(gè)LDO給不同的外設(shè)提供電壓，是為了在Big Sleep狀態(tài)下關(guān)閉某些外設(shè)并同時(shí)能夠使能其他外設(shè)。如果不進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，可以使用同一個(gè)LDO提供電壓。
    TPS65010的I2C總線連接到OMAP，便于OMAP對(duì)TPS65010的寄存器進(jìn)行設(shè)置。TPS65010的RESPWRON引腳連接到OMAP的Power_Reset引腳，上電復(fù)位后由TPS65010復(fù)位OMAP；TPS65010的LOWPWR引腳連接到OMAP的LOW_PWR引腳，OMAP進(jìn)入低功耗狀態(tài)由該引腳通知TPS65010，TPS65010將設(shè)定的各種電壓降低，從而降低系統(tǒng)功耗。

4 OMAP5912的低功耗軟件設(shè)計(jì)
    OMAP5912有3種工作模式，分別為正常工作模式、Big Sleep模式和Deep Sleep模式。正常工作模式下，使能所有的內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘以及引腳，此時(shí)系統(tǒng)功耗最大，TPS650lO也按照正常工作方式供電。低功耗模式下，隨時(shí)判斷是否有芯片IDLE請(qǐng)求，如果有則進(jìn)入Big Sleep模式。在Big Sleep模式下，進(jìn)一步判斷是否有外部時(shí)鐘請(qǐng)求，并根據(jù)情況進(jìn)入Deep Sleep模式。具體的軟件流程見(jiàn)本刊網(wǎng)站www．mesnet．com．cn。
    在系統(tǒng)正常工作方式下，如果不需要進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，以上軟件無(wú)需加入到應(yīng)用程序中。進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)時(shí)，就需要對(duì)OMAP的各種工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，要在應(yīng)用程序中加入LOW_PWR信號(hào)使能、關(guān)閉DSP核、激活并設(shè)置喚醒事件、關(guān)閉ARM核、激活并設(shè)置深度睡眠等軟件代碼。

5 總 結(jié)
    本文詳細(xì)介紹了基于TPS65010和OMAP5912的低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)。使用TPS65010的多個(gè)電源輸出引腳給OMAP的不同單元供電，以便在OMAP的不同工作模式下改變電壓輸出，降低系統(tǒng)功耗。OMAP根據(jù)自身的軟件運(yùn)行情況，隨時(shí)調(diào)整工作模式，并通知TPS65010，使得軟件和硬件在低功耗設(shè)計(jì)上得到互通。該設(shè)計(jì)方法適用于各種對(duì)功耗要求較高的電子設(shè)備。