基于LP3913的便攜設(shè)備電源管理系統(tǒng)

1 引言
    早期嵌入式便攜設(shè)備由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，往往只采用一兩種電源管理器件即可滿足供電需求。但是隨著嵌入式處理器功能不斷增強(qiáng)，便攜設(shè)備的電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)面對(duì)尺寸和成本的全新挑戰(zhàn)。因此，采用傳統(tǒng)的單一功能電源管理器件已無(wú)法滿足需求，因此。采用專門集成電源管理單元(PMU)設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)已是大勢(shì)所趨。這里給出了一種基于LP3913的便攜式設(shè)備電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

2 LP3913簡(jiǎn)介
    LP3913是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的一款功能強(qiáng)大的PMU，專門針對(duì)嵌入式便攜設(shè)備應(yīng)用，其主要特點(diǎn)為：2路線性電源(LDO)輸出和3路DC—DC Buck變換器輸出，每路輸出電壓可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)；開(kāi)關(guān)機(jī)檢測(cè)和控制功能；USB／AC外部電源輸入管理，可在外部供電狀態(tài)和鋰離子供電狀態(tài)之間自動(dòng)切換；鋰離子電池充電管理和電池過(guò)熱保護(hù)功能；內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換器，可測(cè)量電池電壓、電流以及外部A／D轉(zhuǎn)換器輸入通道：I2C接口便于處理器設(shè)置、讀取內(nèi)部功能狀態(tài)參數(shù)；內(nèi)部中斷管理器，能夠通過(guò)中斷引腳IRQB向處理器及時(shí)報(bào)告各種電源事件；采用48引腳LLP封裝。
    圖1為L(zhǎng)P3913的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在LP3913的5個(gè)輸出通道中，LD0最大輸出電流150 mA，用于處理器睡眠時(shí)的常供電壓以及對(duì)供電電壓紋波水平要求較高的模擬器件供電：Buck變換器最大輸出電流1 000 mA，用于處理器內(nèi)核供電以及其他負(fù)載較大的數(shù)字器件供電，同時(shí)Buckl通道還帶外部使能端，能夠獨(dú)立通斷。各輸出通道的電壓特性如表1所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)手持式GPS導(dǎo)航設(shè)備，主處理器采用三星的S3C2440A。它是基于ARM920T內(nèi)核，最大主頻為400MHz；內(nèi)核電壓(Vcore)為1．2 V，I／O電壓(VDDIO)為3．3 V，常供電壓(Valive)為1．2 V；處理器在休眠模式下需關(guān)閉Vcore電壓，并通過(guò)CPU_PWREN引腳輸出低電平來(lái)控制；同時(shí)S3C2440A還支持用于節(jié)能的動(dòng)態(tài)電壓縮放(DVS)特性，能夠根據(jù)不同工作狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整工作頻率，并且根據(jù)頻率調(diào)整內(nèi)核工作電壓，最大程度減少電源消耗。除此之外，音頻功放等模擬電路需要紋波較小的3.3 V供電，外置SD卡由于熱拔插特性需要單獨(dú)供電。整個(gè)設(shè)備采用鋰電池供電，同時(shí)通過(guò)USB接口交換數(shù)據(jù)和充電，系統(tǒng)需要定期測(cè)量電池電壓并且換算剩余電量。
3．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    整個(gè)系統(tǒng)接口電路如圖2所示，設(shè)計(jì)方案中LP3913的LD01為處理器的Valive提供1.2 V電壓，Buckl用于處理器的內(nèi)核電壓(Vcore)；當(dāng)處理器進(jìn)入休眠狀態(tài)，S3C2440A的CPU_PWREN引腳輸出低電平關(guān)閉Buckl輸出。當(dāng)處理器需要DVS節(jié)能處理時(shí)，系統(tǒng)軟件通過(guò)I2C接口動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)Buckl輸出電壓。此外，Buck2通道為處理器的I／O和其他數(shù)字器件提供3．3 V電壓，LD02輸出3．3 V用于音頻模擬電壓輸入，Buck3輸出單獨(dú)用于SD卡的熱拔插供電。

    USB電源的輸入通過(guò)一個(gè)肖特基二極管MBRMll0ETlG (反向電壓lO V、最大電流1 A)和LP3913的USBPWR、VDD等引腳相接，這樣可以防止外部電源拔出后鋰電池產(chǎn)生的主電源輸出灌入到USB接口。此外，LP3913的TS引腳與電池內(nèi)熱電偶相連，檢測(cè)電池溫度，無(wú)需該功能時(shí)則通過(guò)一只100 kΩ下拉電阻以防止LP3913誤認(rèn)為溫度超標(biāo)而切斷電池充電功能。
    為了增加供電電流，LP3913主電源輸入VDD和VIN引腳是外置的；為了提高電源的利用效率，布板時(shí)需將LP3913的VDD和VIN電源連接線盡量加粗，同時(shí)Buck變換器所使用的電感也要盡量靠近LP3913的VBUCK引腳。
    在無(wú)外部供電(USB／AC)輸入情況下，LP3913將鋰電池作為主電源輸入，并將電池電壓連接到VDDl～VDD2、VINl～V14等引腳作為L(zhǎng)D0和BUCK變換器的輸入。當(dāng)插人外部USB／AC電源后，LP3913將把主電源輸入自動(dòng)切換為USB／AC，并對(duì)鋰電池充電；充電狀態(tài)通過(guò)CHG和STAT引腳指示。
   [!--empirenews.page--] LP3913具有強(qiáng)大的電源事件管理功能。LP3913內(nèi)部設(shè)有專門的8位中斷請(qǐng)求寄存器IRQ(0dNH)和中斷掩碼寄存器IMR(0cH)，能夠區(qū)分8種不同電源事件。每當(dāng)有相應(yīng)的電源事件發(fā)生時(shí)，IRQB引腳將輸出低電平，處理器檢測(cè)到該中斷信號(hào)后通過(guò)I2C總線讀取IRQ寄存器的值即可判斷相應(yīng)的電源事件并作出相應(yīng)處理。LP3913的中斷處理原理如圖3所示。

3．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    與電源相關(guān)部分的軟件主要有開(kāi)關(guān)機(jī)流程和電源事件中斷處理兩部分。在缺省狀態(tài)下，LP3913的ONOFF引腳由內(nèi)部下拉至低電平．系統(tǒng)處于關(guān)機(jī)休眠狀態(tài)。當(dāng)ON／OFF引腳輸出大于32 ms寬度的脈沖，ONSTAT引腳將ON／OFF引腳狀態(tài)輸出到處理器的GPIO引腳上，并按順序先后接通2路LDO和3路BUCK輸出，同時(shí)通過(guò)NRST引腳輸出寬度60 ms的低電平脈沖到處理器的RESET引腳，防止處理器在電源不穩(wěn)定情況下啟動(dòng)。處理器啟動(dòng)后，通過(guò)軟件設(shè)置相應(yīng)的GPIO輸出高電平到LP3913的POWERACK引腳以保持電源選通。如果處理器在電源接通132 ms內(nèi)沒(méi)有將POWERACK置高，則LP3913將重新切斷LDO和BUCK的輸出。在系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，如果ON／OFF引腳上出現(xiàn)高電平脈沖，LP3913會(huì)通過(guò)ONSTAT引腳將其送至處理器的中斷引腳，軟件檢測(cè)到該信號(hào)后啟動(dòng)關(guān)機(jī)程序，最后將POWERACK引腳置低關(guān)閉LP3913的供電輸出。根據(jù)此過(guò)程設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)機(jī)程序流程如圖4所示。

    電源事件中斷處理主要是根據(jù)LP3913的IRQB引腳返回的中斷信號(hào)讀取中斷寄存器，并判斷中斷事件然后做出相應(yīng)的處理。中斷處理部分的偽代碼如下所示：

4 結(jié)語(yǔ)
    介紹了多功能電源管理單元器件LP3913的基本原理及其在便攜設(shè)備電源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用USB外接電源和鋰離子電池供電，整個(gè)電路結(jié)構(gòu)緊湊，功能完善。