數(shù)字電源實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗設計

半導體設計和制作工藝技術的不斷提高，使電路板上的器件運行速度更快、體積更小。數(shù)字電源的目標就是將電源轉換與電源管理用數(shù)字方法集成到單個芯片中，實現(xiàn)電源轉換、控制和通信。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)字信號處理器(DSP)OMAP5912上使用簡單的數(shù)字電源實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗設計的方法。使用TI公司的電源轉換和電壓監(jiān)控芯片TPS65010實現(xiàn)對DSP系統(tǒng)各種狀態(tài)的檢測。在不同狀態(tài)下輸出不同的供電電壓，減小供電電流，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的低功耗運行。該設計方法適用于各種低功耗要求的手持電子設備。

　　1 TPS65010和OMAP5912
 

　　TPS65010是TI公司推出的一款針對鋰離子供電系統(tǒng)的電源和電池管理芯片。TPS65010集成了2個開關電源轉換器Vmain和Vcore、2個低壓差電源轉換器LD01和LDO2以及1個單體鋰離子電池充電器，非常適合手持電子設備的應用要求。當12 V直流電源適配器接通時，芯片無需開關電路。在實際使用中，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。各個不同電壓下的電流一般可以達到400 mA，滿足大部分手持設備的需求?？梢酝ㄟ^I2C總線對TPS65010的各種寄存器進行設置，也可以通過通用的引腳將重要的信息通知TPS65010，例如可以通過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，具有雙處理器結構，片內集成ARM和C55系列DSP處理器。TI925T處理器基于ARM9核，用于控制外圍設備。DSP基于TMS320C55X核，用于數(shù)據(jù)和信號處理，提供1個40位和1個16位的算術邏輯單元(ALU)。由于DSP采用了雙ALU結構，大部分指令可以并行運行，工作頻率達到150 MHz，并且功耗更低。C55和ARM可以聯(lián)合仿真，也可以單獨仿真。

　　OMAP5912內部專門配置了超低功率設備(Ultra Low Power Device，ULPD)。ULPD模塊內部結構如圖1所示。

　　從圖1可以看出，ULPD模塊主要由復位管理器、FIQ管理器以及睡眠模式狀態(tài)機組成。片內ULPD和OMAP5912芯片內部的復位產生模塊以及芯片IDLE和喚醒狀態(tài)控制器相連接。片外ULPD的復位管理器負責檢測上電復位和手動復位，并將片內的復位信號輸出;FIQ管理器專門用于檢測電池電壓，一旦出現(xiàn)電池電壓低于或高于系統(tǒng)要求，或者電池電源質量不高(紋波較大、過沖較大、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)機負責檢測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)硬件結構

　　較完整的手持設備系統(tǒng)主要由OMAP5912、TPS6501O、AD/DA、LCD、SDRAM、人機接口以及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，并將其轉變成數(shù)字信號;DA將數(shù)字信號轉換成模擬信號;人機接口主要包括鍵盤接口。Flash保存DSP所需的程序，供DSP上電調用。此外，使用DSP的HPI接口連接到PC機。

　　3 TPS65010和OMAP5912的硬件設計

　　TPS65010和OMAP5912的連接是實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗設計的關鍵，具體硬件連接如圖3所示。TPS650lO可以提供OMAP5912所需的各種電壓，但是核心運算單元需要的CVDDA以及重要外設需要的DVDD4由TPS7620l從Vmain電壓轉換得到。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)，核心運算單元和重要的外設都有穩(wěn)定的電源保證。注意，如果不要求OMAP系統(tǒng)的低功 耗設計，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，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LDO給不同的外設提供電壓，是為了在Big Sleep狀態(tài)下關閉某些外設并同時能夠使能其他外設。如果不進行低功耗設計，可以使用同一個LDO提供電壓。[!--empirenews.page--]TPS65010的I2C總線連接到OMAP，便于OMAP對TPS65010的寄存器進行設置。TPS65010的RESPWRON引腳連接到OMAP的Power_Reset引腳，上電復位后由TPS65010復位OMAP;TPS65010的LOWPWR引腳連接到OMAP的LOW_PWR引腳，OMAP進入低功耗狀態(tài)由該引腳通知TPS65010，TPS65010將設定的各種電壓降低，從而降低系統(tǒng)功耗。

　　4 OMAP5912的低功耗軟件設計

　　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，使能所有的內部時鐘和外部時鐘以及引腳，此時系統(tǒng)功耗最大，TPS650lO也按照正常工作方式供電。低功耗模式下，隨時判斷是否有芯片IDLE請求，如果有則進入Big Sleep模式。在Big Sleep模式下，進一步判斷是否有外部時鐘請求，并根據(jù)情況進入Deep Sleep模式。

　　在系統(tǒng)正常工作方式下，如果不需要進行低功耗設計，以上軟件無需加入到應用程序中。進行低功耗設計時，就需要對OMAP的各種工作狀態(tài)進行判斷，要在應用程序中加入LOW_PWR信號使能、關閉DSP核、激活并設置喚醒事件、關閉ARM核、激活并設置深度睡眠等軟件代碼。

　　5 總 結

　　OMAP根據(jù)自身的軟件運行情況，隨時調整工作模式，并通知TPS65010，使得軟件和硬件在低功耗設計上得到互通。該設計方法適用于各種對功耗要求較高的電子設備。