摘 要： 研究了當(dāng)前手持設(shè)備" title="手持設(shè)備">手持設(shè)備中電源系統(tǒng)" title="電源系統(tǒng)">電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的常用設(shè)計(jì)方案，分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合一個(gè)具體手持設(shè)備的電源系統(tǒng)需求給出了實(shí)現(xiàn)方案。
關(guān)鍵詞： 電源系統(tǒng) 動(dòng)態(tài)電源管理" title="電源管理">電源管理 CPLD
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隨著手持設(shè)備的普及，基于手持設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，用戶對(duì)其性能也提出了更高的要求。由于手持設(shè)備需要具有很強(qiáng)的便攜性，因此通常采用體積較小的鋰電池供電。鋰電池容量有限，如何盡量延長(zhǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行時(shí)間成為手持設(shè)備研究領(lǐng)域的一個(gè)主要方向[1][2][3][4]。作為其核心技術(shù)——電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。另一方面，電源系統(tǒng)的合理性，將會(huì)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)、產(chǎn)品特性組合、芯片選型、軟件的設(shè)計(jì)以及功率分配等。
目前手持設(shè)備中的電源系統(tǒng)有采用分布式的設(shè)計(jì)方案，也有采用集中式的設(shè)計(jì)方案。
分布式設(shè)計(jì)方案，就是利用許多功能獨(dú)立的電源轉(zhuǎn)換芯片搭建整個(gè)電源系統(tǒng)。這種方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為靈活，但集成度不高，通常需要復(fù)雜的外圍器件配合才能支撐系統(tǒng)的正常工作，此類電源系統(tǒng)很少提供管理控制接口，因此電源管理實(shí)現(xiàn)難度較大。
集中式設(shè)計(jì)方案正好相反，該方案一般采用單芯片設(shè)計(jì)思路，芯片集成了多路線性穩(wěn)壓器和開關(guān)電源，且多采用簡(jiǎn)單的串行通信接口，如I2C[5]、SPI等，來(lái)對(duì)每一路電源進(jìn)行控制，適合于個(gè)人數(shù)字助理等功能相對(duì)簡(jiǎn)單通用的設(shè)備。集中式電源系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是集成度高，外圍器件少，能夠滿足產(chǎn)品尺寸要求小的設(shè)計(jì)。但是，這種方案對(duì)芯片的依賴性很強(qiáng)，且靈活性不大，不具有通用性。
1 設(shè)計(jì)思想
為了設(shè)計(jì)出可靠的、低功耗的和具有一定通用性的電源系統(tǒng)，本文在深入研究上述兩種電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)" title="電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)">電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種綜合性設(shè)計(jì)方案，通過(guò)小容量的可編程邏輯器件的應(yīng)用來(lái)控制各個(gè)模塊的行為，從而對(duì)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。
(1)對(duì)系統(tǒng)的電源需求進(jìn)行分析，按照功能的不同分別采用分布式供電和集中式供電。
(2)使用可編程邏輯器件來(lái)控制各電路電源的打開、關(guān)閉和模式選擇，為電源管理提供統(tǒng)一的硬件接口。設(shè)計(jì)方案的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
一般而言，手持設(shè)備中的電源系統(tǒng)通?？梢詣澐譃楹诵碾娫?、LCD電源、充電電路" title="充電電路">充電電路、外圍接口與模塊部分。
核心電源，即最小系統(tǒng)所需要的電源，主要由CPU核心電源、CPU的IO電源、存儲(chǔ)器的電源和總線驅(qū)動(dòng)電源組成。CPU核心電源一般要求在1～2V之間，所以一般采用高效率的降壓式開關(guān)電源供電。剩下的部分一般都需要3.3V的電源，所以可采用統(tǒng)一供電方式，即使用一片高效率、低功耗的降壓式開關(guān)電源來(lái)供電，或者使用低壓差線性穩(wěn)壓電源來(lái)供電。對(duì)該部分電源模塊的控制可使用CPU和CPLD來(lái)完成。
LCD是目前手持設(shè)備中非常常見的配置，對(duì)于LCD的驅(qū)動(dòng)通常需要多路正負(fù)電壓供電，同時(shí)配合以背光電源，所以LCD電源模塊的設(shè)計(jì)相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較獨(dú)立的。當(dāng)前，很多公司都針對(duì)LCD電源模塊，設(shè)計(jì)出了單芯片解決方法，可以同時(shí)供給LCD所需要的各種電源，所以選用集成了多路電源的芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)該部分電源模塊的控制可以使用CPLD來(lái)完成，背光亮度的調(diào)節(jié)一般使用脈寬調(diào)制信號(hào)，通過(guò)改變信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)背光亮度。
鋰電池能量高、儲(chǔ)存能量密度大、充電速度較快、漏電量極少，且沒(méi)有“記憶效應(yīng)”。所以，目前它的應(yīng)用非常廣泛。鋰電池在充電過(guò)程中，電池的電壓和充電電流都會(huì)隨充電時(shí)間而發(fā)生變化，所以設(shè)計(jì)充電電路時(shí)要考慮到它的特性。目前已經(jīng)有很多智能化的充電芯片可以滿足系統(tǒng)的要求，充電指示信號(hào)可以經(jīng)過(guò)CPLD處理后作為CPU的一個(gè)中斷源，從而監(jiān)控充電電路的狀態(tài)。
因?yàn)楣δ苤g的差異，外圍接口與模塊部分的電源供給的需求也往往不同，所以此部分電源模塊一般采用分布式解決方法。如SD卡接口，可采用價(jià)格相對(duì)便宜的低壓差的線性穩(wěn)壓器來(lái)供電；而USB Host接口，則需要采用高效率的開關(guān)電源來(lái)供電。所有外圍接口和模塊電源的控制均采用CPLD來(lái)完成。
綜上所述，該方案充分利用了分布式方案和集成式方案的優(yōu)點(diǎn)，利用可編程邏輯器件的可編程控制的特點(diǎn)，可以對(duì)各部分電路的控制和狀態(tài)的查詢進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，簡(jiǎn)化了電源管理軟件的實(shí)現(xiàn)，包括處理器的動(dòng)態(tài)電源管理和其他外部設(shè)備的管理等，能夠滿足各種不同的應(yīng)用場(chǎng)合，且具有一定的可擴(kuò)展性。
2 具體實(shí)現(xiàn)
本文結(jié)合一個(gè)手持設(shè)備的具體需求，給出一種采用綜合性電源設(shè)計(jì)方案的實(shí)例。
2.1 手持設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)
該設(shè)備采用Intel Xscale PXA255作為CPU，主頻為400MHz。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)CPLD實(shí)現(xiàn)邏輯控制。設(shè)備同時(shí)提供了TFT LCD、觸摸屏、SD接口、SDRAM、FLASH、CF接口等。設(shè)備的硬件框圖如圖2所示。
2.2 電源系統(tǒng)的架構(gòu)
該手持設(shè)備采用3.6V～4.2V鋰電池供電，電池容量為1900mAh。整個(gè)電源系統(tǒng)的架構(gòu)如圖3所示。
2.2.1 最小系統(tǒng)的電源電路
開機(jī)和關(guān)機(jī)電路中采用的是74LVC74芯片，該芯片是一個(gè)雙D觸發(fā)器，按下開關(guān)按鍵，將會(huì)在芯片輸出引腳上產(chǎn)生一個(gè)電平變化，74LVC74的輸出控制TPS2013，從而打開或關(guān)閉電源。TPS2013是一個(gè)低內(nèi)阻電源功率分發(fā)芯片，它將VCC_BATT分發(fā)到SYS_PWR，電壓范圍為3.6～4.2V，它的后級(jí)將接一個(gè)高效率低壓差的線性穩(wěn)壓芯片，即MAX1793。MAX1793將SYS_PWR轉(zhuǎn)換為3.3V電壓，給PXA255，CPLD，SDRAM和FLASH，以及總線驅(qū)動(dòng)部分供電。VCC_3P3V作用在MAX5360上產(chǎn)生一個(gè)參考電壓給MAX1820。MAX1820根據(jù)提供的參考電壓，產(chǎn)生PXA255所需要的核心電壓VCC_CORE和鎖相環(huán)供電電壓。復(fù)位電路采用的核心芯片是美信公司MAX6342，當(dāng)VCC_3P3V電壓上升到3.08V的時(shí)候，該芯片會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平的復(fù)位信號(hào)給PXA255，該信號(hào)經(jīng)過(guò)約180ms后變成高電平，CPU就會(huì)從FLASH的0地址執(zhí)行引導(dǎo)程序。MAX6342帶有一個(gè)手動(dòng)復(fù)位引腳，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位功能。
CC_CORE，即CPU核心電壓是系統(tǒng)中最復(fù)雜的供電部分。通過(guò)I2C總線，它的電壓能夠被控制在0.8～1.7V。此外，動(dòng)態(tài)電源管理DVM（Dynamitic Voltage Management）需要一個(gè)特定的時(shí)序。系統(tǒng)電路板上有兩個(gè)DAC芯片(MAX5360A和MAX5360B），通過(guò)I2C總線控制它們的輸出電壓。使用一個(gè)模擬開關(guān)MAX4544來(lái)選擇一路MAX5360輸出作為MAX1820的參考電壓。模擬開關(guān)由復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)來(lái)控制。因此，通過(guò)I2C總線可以控制VCC_CORE的電壓。系統(tǒng)上電后，VCC_CORE的電壓值被設(shè)定成1.46V。
2.2.2 LCD電源電路
系統(tǒng)使用了SHARP公司的3.5寸TFT LCD，型號(hào)是LQ035Q7DD01。該LCD一共需要五種電壓，分別為：+5V，+15V，-10V，以及背光LED的正、負(fù)電源。經(jīng)過(guò)相關(guān)資料收集和分析后，系統(tǒng)采用了MAX1779來(lái)產(chǎn)生LCD需要的+5V，+15V和-10V電源；采用LTC3465A來(lái)產(chǎn)生LCD背光LED所需的正、負(fù)電源。背光亮度控制由PWM信號(hào)提供，該信號(hào)為PXA255的輸出，經(jīng)過(guò)CPLD后，輸出給LTC3465A，通過(guò)設(shè)置CPLD和PXA255中的寄存器達(dá)到關(guān)閉與打開背光目的，同時(shí)也可以調(diào)節(jié)背光的亮度。
2.2.3 鋰電池充電電路
目前很多手持設(shè)備都把充電電路直接嵌入到系統(tǒng)內(nèi)部，如何將這一部分應(yīng)用做到功耗更低體積更小，一直是手持設(shè)備制造商們追求的目標(biāo)。本系統(tǒng)提供了兩種充電接口，一種是墻式的9V充電接口，另外一種是USB充電接口。兩種接口之間通過(guò)二極管隔離，避免產(chǎn)生干擾。充電芯片選用了凌特公司的LTC1730。該芯片是凌特公司新一代脈沖式電池充電控制器，它散熱量少、器件體積小，而且只需很少的外圍元件，因此非常適合于嵌入到手持設(shè)備的內(nèi)部。它在快速充電模式下，通過(guò)內(nèi)部功率FET導(dǎo)通使輸入電壓下降，使外部穩(wěn)壓器進(jìn)入限流狀態(tài)，從而降低了器件本身的功耗；當(dāng)電池充電到接近預(yù)定電壓時(shí)，內(nèi)部FET又會(huì)轉(zhuǎn)入脈沖工作方式，直到可編程定時(shí)器計(jì)時(shí)終止。電池充滿以后，充電控制器的一個(gè)管腳還會(huì)發(fā)出指示信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED顯示以提醒用戶。該器件的輸出電壓可通過(guò)引腳選擇4.1V或4.2V，誤差不超過(guò)1%。在沒(méi)有充電時(shí)，它會(huì)自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式，電流消耗低于1μA。充電指示信號(hào)經(jīng)過(guò)CPLD預(yù)處理后作為CPU的一個(gè)中斷源，從而監(jiān)控充電電路的狀態(tài)。
2.2.4 其他電源電路
目前手持設(shè)備中常用的外圍接口或模塊主要有USB Host、USB Client、SD、CF、IRDA，其中，USB Host需要5V供電，USB Client由PC供電，SD卡需要3.3V供電，CF既有5V供電的，也有3.3V供電的，IRDA一般采用3.3V供電。本系統(tǒng)中采用升壓式開關(guān)電源芯片MAX1703將電池電壓轉(zhuǎn)換為USB Host需要的5V電壓，使用CPLD來(lái)控制MAX1703的打開和關(guān)閉。SD卡、IRDA均采用線性穩(wěn)壓電源MIC5219來(lái)供電。采用MAX1793來(lái)得到CF接口卡需要的3.3V電源。
本文所提出的綜合式電源設(shè)計(jì)方案提供了簡(jiǎn)單的電源控制接口，為電源管理軟件的實(shí)現(xiàn)提供了較強(qiáng)的靈活性。結(jié)合電源管理軟件，可以實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的各種模式切換。通過(guò)在上述手持設(shè)備的方案實(shí)現(xiàn)與測(cè)試，設(shè)備待機(jī)時(shí)間可達(dá)到48小時(shí)，持續(xù)工作時(shí)間超過(guò)24小時(shí)，說(shuō)明該電源系統(tǒng)具有較高的可靠性和抗干擾能力。同時(shí)，該設(shè)計(jì)方案有一定的通用性，對(duì)其他手持設(shè)備中的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。
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