具有自適應(yīng)開機(jī)和冬眠功能的電源管理設(shè)計

摘要： 消費類電子產(chǎn)品主控SoC芯片內(nèi)電源管理部分的設(shè)計對產(chǎn)品整機(jī)的功耗控制至關(guān)重要。為降低產(chǎn)品功耗和節(jié)省成本，設(shè)計了與任意片外開機(jī)使能電平相匹配的自適應(yīng)開機(jī)接口使電子產(chǎn)品的開關(guān)機(jī)電路得到簡化；并通過軟硬件協(xié)作實現(xiàn)了冬眠功能，其特點是在待機(jī)狀態(tài)下，SoC上除電源管理單元和實時時鐘外全部關(guān)電，而后能響應(yīng)用戶請求迅速恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞： SoC芯片； 電源管理； “自適應(yīng)”開機(jī)； “冬眠”功能

中圖分類號： TN911?34； TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）06?0157?04

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步，手機(jī)，MP3/MP4，PDA等消費類電子產(chǎn)品的智能化程度越來越高，功耗越來越低而價格越來越便宜。與此趨勢相應(yīng)的就是此類產(chǎn)品的電源管理方案更加復(fù)雜和靈活。

以手機(jī)為例，起初手機(jī)的電源管理只包括簡單的電源開通/關(guān)閉功能，由系統(tǒng)級印刷電路板（以下簡稱PCB）上獨立于主控芯片（以下簡稱SoC）之外的控制電路和電源管理芯片（PMIC）實現(xiàn)，其中PMIC的基本功能是把手機(jī)電池的單電壓輸入（手機(jī)鋰電池的電壓為3.6 V）轉(zhuǎn)換成多路電壓輸出給PCB上各部件供電（有的需要3.3 V，有的需要1.8 V，每種電壓所需路數(shù)不等）。這種電源管理方式的缺點是方案成本較高，功耗控制簡單即PMIC的電源輸出同時開或同時關(guān)。基于此種簡單的電源管理，SoC的主要功耗控制方式是降低時鐘頻率和關(guān)停時鐘。

如今的智能手機(jī)都將電源控制部分集成到主控芯片內(nèi)部作為電源管理單元（PMU），其優(yōu)點是節(jié)省成本，和能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的電源控制：包括靈活控制開關(guān)機(jī)、靈活調(diào)節(jié)各路電源輸出的電平（比如軟件可以在不需要SDRAM工作的時間段，通過PMU控制外部PMIC將輸出給SDRAM的電壓從3.3 V降到2.7 V，以減少SDRAM的功耗并保持其內(nèi)容不丟失）和動態(tài)啟停PMIC的某一路或某幾路電源輸出。基于此類PMU，SoC可以實現(xiàn)包括降低電壓和關(guān)斷電源在內(nèi)的更多功耗管理模式。

冬眠（Hibernation）是SoC最省電的一種功耗模式，在此模式下，SoC中除RTC（實時時鐘單元）和PMU仍然保持工作外，SoC其余部分的供電被關(guān)斷從而進(jìn)入功耗最省狀態(tài)；同時在SoC外部，動態(tài)存儲器（SDRAM）保持供電且處于自刷新（Self?Refresh）狀態(tài)以維持其記憶體內(nèi)容不變。當(dāng)冬眠喚醒（Wakeup from Hibernation）被觸發(fā)后，PMU恢復(fù)SoC的正常供電并指示軟件從SDRAM直接啟動系統(tǒng)。

另外，在PMU的開關(guān)機(jī)控制中存在一個細(xì)節(jié)問題：PMU所輸出的開機(jī)使能電平是固定的，或為高或為低；在系統(tǒng)設(shè)計中必須保證PMU所輸出的開機(jī)使能電平與電源管理控制器（PMIC）所要求的電平一致，否則就需要在PCB上添加反相器或重新選擇符合要求的PMIC。注意這個有效開機(jī)使能電平的確定難以通過軟件的方法來解決，因為軟件必須在SoC正常上電之后才能運(yùn)行，如果在芯片上電之前，PMU中預(yù)定的開機(jī)使能電平與實際PMIC要求的電平不符，則無法正常開機(jī)。

筆者在其公司最新設(shè)計的SoC中改進(jìn)了PMU的設(shè)計，實現(xiàn)了自適應(yīng)開機(jī)和冬眠功能。其中，自適應(yīng)開機(jī)就是無論外部PMIC所要求的開機(jī)使能電平是高是低，PMU通過自身硬件進(jìn)行自動判別并記憶，然后輸出正確的開機(jī)使能電平；同時PMU實現(xiàn)了特殊硬件機(jī)制使得系統(tǒng)開發(fā)人員能通過軟硬件結(jié)合輕松實現(xiàn)冬眠功能。

1 電源管理單元

首先給出PMU的接口和寄存器設(shè)置，讀者由此可以把握本PMU設(shè)計的基本規(guī)范（spec）。如圖1所示。

1.1 PMU接口

VDDP/GNDP：專門給PMU供電的管腳， 一直有電（Always on Power）；與之對應(yīng)， VDDM/GNDM給外部SDRAM以及“冬眠”喚醒部件供電，VDDC/GNDC為主電源，給SoC其他功能模塊和系統(tǒng)其他部件供電。

圖1 電源管理單元接口

RSTn：復(fù)位輸入，低電平有效；在PCB上有一個由主電源VDDC供電的復(fù)位發(fā)生器（PoR）。當(dāng)VDDC掉電時，RSTn將保持為低；當(dāng)VDDC上電時，RSTn經(jīng)過一段延遲（如50 ms，不同復(fù)位發(fā)生器延遲不一樣）由低變高并停在高電平直到VDDC掉電。

CLK：32 kHz時鐘輸入，用于給按鍵計時；（此時鐘為復(fù)用RTC模塊的低功耗高精度實時時鐘）。

PSI[1：0]：2個按鍵輸入接口， PSI[0] 用于開關(guān)機(jī)鍵，PSI[1] 用于“冬眠”喚醒鍵；輸入值為低表示相應(yīng)鍵有按下。

PSO[1：0]：2個電源使能輸出接口，PSO[0]使能VDDC，PSO[1] 使能VDDM。

1.2 PMU寄存器

PVL：存儲電源有效使能電平，即指示電源VDDC和VDDM的有效使能電平；在手機(jī)初次上電或發(fā)生電源失效后恢復(fù)使用時，此寄存器值可能不正確；每次開機(jī)時，其值由“自適應(yīng)開機(jī)”邏輯來校正；該寄存器值也允許軟件修改。

2 自適應(yīng)開機(jī)功能

2.2 “自適應(yīng)開機(jī)”過程

初始狀態(tài)：系統(tǒng)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，除PMU，RTC仍然保持有電外，SoC其他模塊均處于掉電狀態(tài)，具體初始信號如下：

PSI0：開關(guān)機(jī)鍵值保持高，即沒有按下；

CLK：32 kHz時鐘一直有效；

RSTn：系統(tǒng)復(fù)位輸入保持為低，即復(fù)位有效；

PSO：電源使能輸出高阻，即關(guān)機(jī)；

FSM：開關(guān)機(jī)控制有限狀態(tài)機(jī)處于“關(guān)機(jī)”狀態(tài)；

CNT：按鍵時間計數(shù)器保持清零狀態(tài)。

啟動開機(jī)：用戶持續(xù)按下開機(jī)鍵，觸發(fā)硬件邏輯變化，具體信號和狀態(tài)變化如下：

PSI0：開關(guān)機(jī)鍵輸入為低電平，即該鍵按下；

CNT：計數(shù)器開始計數(shù)（每隔一個CLK周期，計數(shù)器加1）；

CMP：比較器在每個CLK周期都將CNT值與 {PFR[19：9]，6’b111111}進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果送給FSM；

FSM：當(dāng)收到比較相等的信號，F(xiàn)SM進(jìn)入“開機(jī)嘗試”狀態(tài)，即控制PSO輸出PVL所指示的電平，同時復(fù)位計數(shù)器使之重新開始計數(shù)；

PSO：輸出PVL所指示的電平，即嘗試使能開機(jī)上電；

RSTn：如果PVL所存值正確，上述上電過程成功，手機(jī)正常上電，經(jīng)過復(fù)位延遲后，復(fù)位變?yōu)闊o效idianndiane按鍵鍵；FSM進(jìn)入“開機(jī)成功”狀態(tài)（等待開關(guān)機(jī)鍵再次按下，然后進(jìn)入“關(guān)機(jī)”狀態(tài)）。

初次或異常開機(jī)過程：在手機(jī)初次上電或發(fā)生電源失效后恢復(fù)使用時，PVL寄存器的值可能錯誤；此時開機(jī)過程基本同上，只是FSM進(jìn)入“開機(jī)嘗試”狀態(tài)后，PSO輸出與PMIC期望相反的電平，此后的過程說明如下：

CNT： 在FSM進(jìn)入“開機(jī)嘗試”狀態(tài)后，重復(fù)開始計數(shù)；

CMP： 當(dāng)按鍵時間第二次達(dá)到閾值，比較器將再次輸出比較相等的信號；

FSM： FSM在“開機(jī)嘗試”狀態(tài)再次收到比較相等的信號，將PVL值取反存入PVL寄存器；

PSO：保持輸出PVL所指示的電平，使能開機(jī)上電；

3 冬眠功能

3.1 功能框圖和信號、構(gòu)件說明

3.2 冬眠功能實現(xiàn)過程

3.2.1 進(jìn)入冬眠

（1）軟件保存快速啟動代碼和當(dāng)前程序現(xiàn)場到SDRAM；

（2）軟件控制SDRAM進(jìn)入自刷新模式（CKE=0并保持到喚醒之后）；

（3）軟件控制SoC預(yù)備進(jìn)入“冬眠”模式（包括停時鐘，關(guān)PLL等）；

（4）軟件將快速啟動的初始地址寫入PSR；

（5）軟件將2’b10寫入PCR（即關(guān)VDDC，保持VDDM）；

（6）硬件上PSO0輸出高阻，PSO1輸出有效使能電平；由于VDDC掉電，RSTn拉低復(fù)位有效；CKE輸出為高阻，由下拉保持在低電平使SDRAM維持自刷新狀態(tài)。

3.2.2 喚醒冬眠

（1）用戶按下指定鍵導(dǎo)致PSI1拉低達(dá)到閾值時間，觸發(fā)冬眠喚醒邏輯；

（2）硬件控制PSO0輸出有效使能電平使VDDC上電；

（3）SoC進(jìn)入復(fù)位階段，其中CKE的復(fù)位值為0；

（4）PoR在經(jīng)過固定延遲后太高RSTn，使復(fù)位失效；

（5）SoC進(jìn)入啟動階段，控制權(quán)交給軟件；

（6）軟件判斷此為冬眠喚醒而非開機(jī)啟動，控制SDRAM跳出自刷新狀態(tài)；讀PSR獲得啟動地址，直接運(yùn)行SDRAM上的啟動代碼，并回到冬眠前的現(xiàn)場；

（7）軟件判斷引起冬眠喚醒的原因，執(zhí)行相應(yīng)操作。（在上述功能框圖中，KBIC被用作喚醒部件，按任意鍵都會引發(fā)“冬眠”喚醒，然后軟件通過I2C讀出鍵值確定所按何鍵）。

4 結(jié) 語

自適應(yīng)開機(jī)功能簡化了PCB上供電電路的設(shè)計，也使系統(tǒng)設(shè)計者能自由選擇性價比更高的PMIC從而有助于降低整機(jī)成本；自適應(yīng)開機(jī)的實現(xiàn)方法已由筆者所在公司申請專利保護(hù)。

本文所公開的冬眠功能已成功用于電紙書的應(yīng)用：讀者閱讀當(dāng)前頁時，SoC進(jìn)入冬眠狀態(tài)，超級省電；當(dāng)讀者按動翻頁鍵（PgDn或PgUp）時，SoC快速復(fù)活并顯示下一頁或上一頁的內(nèi)容，然后又開始冬眠。當(dāng)使用Mobile SDRAM作為外部動態(tài)存儲器時，筆者測量其電紙書參考系統(tǒng)的普通待機(jī)功耗為2.2 mA，而在“冬眠”狀態(tài)下的待機(jī)功耗為180 μA（主要來自Mobile SDRAM的自刷新功耗）。由是，利用冬眠功能本電紙書一次充電后的使用時間可從數(shù)周延長到數(shù)月。

參考文獻(xiàn)

[1] RABAEY Jan M.數(shù)字集成電路設(shè)計透視[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[2] 郭煒，郭箏，謝憬.SoC設(shè)計方法與實現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3] Ingenic Semiconductor. JZ4750 user manual [M]. Beijing： Ingenic Semiconductor， 2009.

[4] Ingenic Semiconductor. JZ4760 user manual [M]. Beijing： Ingenic Semiconductor， 2010.

[5] NXP Semiconductors. LPC17xx user manual [M]. [S.l.]： NXP Semiconductors， 2010.

[6] Marvell Semiconductor. ARMADA_100 hardware design manual 30 B [M]. US： Marvell Semiconductor， 2010.

[7] Freescale Semiconductor. IMX23RM [M]. US： Freescale Semiconductor， 2009.

[8] Freescale Semiconductor. IMX50CEC_RevD [M]. US： Freescale Semiconductor， 2011.

[9] Freescale Semiconductor. E reader solution [M]. US： Freescale Semiconductor， 2011.

[10] Micron Technology. 128Mb mobile SDRAMx16 datasheet of MT48H8M16LF [R]. US： Micron Technology， 2005.

[11] Infineon Technologies. 1Gb DDR2 SDRAMx16 datasheet of HYB18T1G400AF [R]. Germany： Infineon Technologies， 2004.

[12] Maxim Integrated Products. Reset circuit datasheet of MAX6412 [R]. [S.l.]： Maxim Integrated Products， 2011.

[13] ROHM SemiconTductor. Key encoder IC datasheet of BU1851GUW?E2 [R]. Japan： ROHM Semiconductor， 2009.