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備的節(jié)能降耗也具有一定的參考作用。
關鍵詞：TWL3024；3G；電源管理
前言
3G 終端電源管理的主要策略之一，就是設計轉化效率高的線性調壓器(因其低壓降特性稱為LDO)。盡管開關型調壓器的轉化效率較高，但由于線性調壓器在電壓輸出端產生的噪聲最小，而且LDO極小的紋波可以避免噪聲使手機發(fā)射器產生的RF載波蠕變，因此，線性調壓器仍舊占有主導地位。第二就是可以有效地利用電能，主要有以下途徑：1. 將處理某項任務時不需要的功能單元關掉，比如在進行內部計算時，將與外部通信的接口關斷或使其進入睡眠狀態(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系。所以針對不同的運算和任務，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的結構特點
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構特點：
a． TWL3024內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，而且負責整個芯片組和外設的供電。
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)機的狀態(tài)改變并提供給應用處理器基本時鐘和復位信號。
e． TWL3024有一個SMM(系統(tǒng)管理模塊)，由兩個相同的基于狀態(tài)機的硬件控制器構成，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(HSSM)、程序序列裝置(Sequencer)、跳轉邏輯(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芯片組之上進行系統(tǒng)優(yōu)化的結果。從電池能量轉化的方面來說，TWL3024的LDO和DC/DC轉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)外設都是分別供電的，當處理某項任務時，不相關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總功耗的一半左右，然而，大部分時間內該元件又是不工作的，所以，關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，可以通過關閉或調低OMAP的工作頻率來控制功耗。像視頻流解碼這樣的任務可能需要大量的處理能力，器件將以最大的時鐘頻率運行，功率也被調節(jié)到能夠提供最大的I/O操作。但是，像待機狀態(tài)這樣簡單的任務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)電壓調整)技術有效地將處理器(如OMAP)與電源轉換器連接成閉環(huán)系統(tǒng)，通過I2C等總線動態(tài)地調節(jié)供電電壓，同時調節(jié)自身的頻率，這樣就使系統(tǒng)的節(jié)能達到盡可能高的程度。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)上電復位后，首先是運行默認的、在上電復位時 TWL3024的腳本代碼，在對TWL3024內部寄存器配置后，進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)，并強迫當前的狀態(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指令標識腳本代碼的結束，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的寄存器中，代碼長度只受寄存器大小限制。
結語
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用的情況下，將待機時間由現(xiàn)有解決方案延長兩倍。
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