林杰
中芯国际集成电路制造(天津)有限公司
摘要：超深亚微米系统芯片具有规模大，复杂度高，系统时钟频率快的特点。传统的由外部电源直接给芯片供电的方式，由于稳定性等问题往往不能保证芯片正常工作，一些系统设计者采取的电源管理设计方法是采用外加电压转换电路芯片，以及低电压检测电路芯片。基于FC接口实现电源管理模块通信，实现较多数据文件的传输。采用应用系统集成于SOC技术，尽可能减少系统体积重量，提高系统的性能、可靠性，并能降低系统的制造成本。
关键词：智能手机；电源模块；设计
随着人类社会向智能化的方向发展，嵌入式的应用也逐渐迎来了新的发展前景。各种各样的电子娱乐设备不断进入人们的生活中，其中以便携式设备的使用最为广泛，如手机，笔记本电脑，数码相机等。而嵌入式便携设备大多都有功耗约束，降低功耗，延长待机时间是其追求的目标。目前很多智能手机在密集使用下只能维持半天，多数摄像机和数码相机在一次充电后都只有一个小时左右的累积工作时间。这些便携设备的待机时间相对较短，不能很好的满足用户的使用需求。
一、智能电源管理模块的系统结构
智能电源管理模块是以片上系统SOC为控制中心，实现对数据的采集。模块由电压电流调理电路、开关阵列电路、AD 选通转换电路、控制器、存储器、FC 接口等构成，主要负责电源模块的检测和控制。当上电BIT 测试正确，则电源管理模块以一组固定的动作序列去控制开关阵列PSA 向外供电；若流经PSA 电流超出范围Is≥IsMAX，控制PSA 并对其进行状态转换；在应急供电下，停止对通用模块供电，只对关键模块供电；电源管理模块通过FC 接口与系统管理者进行传输开关动作状态、报警信息、数据各支路电流，记录电源自测试BIT 结果、故障信息。
二、电源管理模块电路设计
1、复位电路。复位类型包括上电复位、手动复位、调试口复位、软件复位和看门狗复位。上电或手动复位有效时产生200ms 的低电平复位信号，提供给SOC芯片作为系统复位触发源之一。调试口复位由外部调试工具产生，用于复位ARM922T 处理器的调试接口。软件复位指系统根据软件运行要求生成的复位触发源。而当系统在规定时间内，没有得到响应时产生看门狗复位。当SOC芯片接收到上述复位类型中任意一种触发复位机制，由SOC芯片输出系统复位信号对电源管理模块进行复位。
2、时钟电路。电源管理模块中需要使用时钟的电路有：SOC芯片、FC 接口。其中，SOC芯片选择53.125MHz 运行时钟， 内部进行4 倍频提供ARM922T 处理器使用。FC 接口收、发数据时钟频率为106.25MHz。
3、存储器电路。电源管理模块中的存储器是SDRAM 存储器。该存储器工作电压为3.3V，封装为54 引脚的TSOP，容量为32M*16。在设计时使用2 片K4S511632E 实现32 位操作。SOC芯片内置SDRAM 存储器控制器，提供SDRAM 的时序控制逻辑，并且提供SDRAM 访问时钟，时钟频率为56.125MHz，同存储器时钟的时钟频率和相位在EDA 设计时保持一致。
4、逻辑控制电路。它是电源管理模块的控制部分，由重写电路、状态控制电路、模拟控制电路、低电压逻辑电路、重启控制电路五部分组成。重启控制电路接收电源启动信号和由低电压逻辑控制电路产生的低电压重启信号，产生控制信号给重写电路。由重写电路完成系统启动时各个状态控制位的初值设定。如果是电源启动，重写完成后，重写电路接收到系统的电源启动完成信号，产生电源启动释放信号给电源启动电路，释放掉电源启动信号。低电压逻辑控制电路接收低电压事件信号，并根据MCU提供的状态控制信号，决定系统是进行低电压重启，还是进行低电压中断。状态控制电路产生控制信号给模拟控制电路和电压转换电路，进行状态控制。模拟控制电路接收控制信号，进行逻辑转换，产生电源管理模块中的模拟部分的使能信号。
5、电压转换电路。它是在逻辑控制电路的控制下，动态地对外部电源电压进行转换，提供稳定的电压给驱动电路。它主要有三个为泵电路提供输入的振荡器，三个泵电路和三个反馈控制电路，分别负责产生驱动电路。电压转换电路是一个负反馈系统。振荡器根据外部电压信号和由电源管理模块产生的参考电压产生方波，提供给泵电路。此处的振荡器为压控振荡器，不同的电压产生不同的频率的方波，低压高频。泵电路从振荡器接受方波，输出比较稳定的电压。要获得稳定的Vnominal，就要求振荡器电路与泵电路相互补充，以至最终输出稳定的电压。三个反馈控制电路，分别对三个驱动电路的输出电压进行监测，并将控制信号输送给振荡器，调整振荡器的工作状态，进而达到调整电压的目的。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆这部分电路和低电压检测电路一样，通过电阻对电压参考电路的输出的电压Vref 进行分压来设定各个控制参考电压值。此处，电压转换电路还包括辅助的控制模块，如电压参考电路的选择模块，为此，也要相应的增加一个电压参考电路。因为在MCU 的某些低功耗工作模式下，需要的电压会比正常工作的电压小，这样可以通过电压参考电路的选择模块选择一个比较小的参考电压，进而减小功耗。电压转换电路设计图如图所示。
6、模拟量输入电路。系统的模拟量信号是由多路模拟开关进行选通。多路开关是采用2 片16通道模拟开关和1 片8 通道模拟开关，通过4 位通道地址选取相应通道，其中最高位为片选位。因此，最多可选通38 路模拟信号，满足本模块所需的24 路模拟量信号的要求。模拟开关用于选通被测试信号，包括4 路电压检测信号、16 路电流模拟量信号和4 路应急模拟量信号， 通过对GPIO0-5 配置进行通道选择。A/D 转换器件控制端直接与EBI 接口连接，CS 信号接EBI_CS2，读写信号则与EBI 读写信号相连。A/D 转换的操作为中断方式或查询方式，转换结束标志EOC 信号作为外部中断连接到SOC芯片，当转换结束后产生中断，由SOC芯片读取转换结果并作出相应处理。EOC 信号在设计时也连接到SOC芯片的GPIO 端， 可作为输入信号，当转换开始后查询该信号状态判断是否转换结束。
7、离散量输出电路。离散量输出主要用于控制开关阵列的工作状态， 当状态一旦置出， 在没有检测到错误或是在没有接受到系统管理者更新指令时，该状态是不能变更的。在设计时，利用EBI 数据作为开关阵列的控制信号。首先，对EBI数据通过锁存器进行锁存，然后进行电平转换，以此输出满足开关阵列使用的+5V 电平信号，初始默认开关阵列的状态为全开，所以采用+5V 上拉方式保证离散量输出信号为高电平。
8、FC 接口。SOC芯片提供FC 接口， 所以只需要在外部连接串并转化器和光电收发器即可。串并转换器具有10bitTx/Rx 总线接口，提供并行回环测试模式，接收、发送时钟可达到106.25MHz，兼容SSTL-2 电平，供电电压为3.3V。而光电收发器也采用的是一款高性能光纤模块，具有4 通道接收器/发送器，单通道带宽1Gbps 至2.7Gbps，兼容8B/10B 数据格式。设计过程中重点考虑PCB 制作和FC 接口端接匹配电阻的选择。
三、智能手机电源管理模块的应用
DPM 是智能手机运行期间对时钟或是电压进行动态管理达到提高电源效率的作用，由于该功能和系统运行的状态和应用开发密切相关，因此常常使用软件来完成DPM 的实现。智能手机的工作模式调节往往是降低能耗的主要方式，因此DPM 与设备的主CPU 密切联系，从定义科学合理工作模式的角度提高电源的使用效率。中心管理系统在设备主频确定的情况下对工作模式做出了四种设定，分别是工作模式、空闲模式、休眠模式和关机模式。根据对状态设备的调查可以发现，工作模式中消耗的功率比其他的模式要大得多，因此在用户没有对手机进行频繁操作时进行合理模式的转化，是提高手机电源使用效率的基本原则，同时在用户使用设备功能时快速转换工作模式，恢复正常的使用功能也是提高用户感受的直接方案。智能手机的运行过程不仅仅要对软件的运行进行控制，还要从硬件连接的角度降低空闲外设的启动频率。目前智能手机已知可连接的外部硬件系统有摄像机、蓝牙系统、红外适配器、功率放大器、投影系统等，但是很多功能都是在系统正常运行时处于空闲状态的，不能及时关闭就会形成电源模块不必要的消耗，影响电源的使用寿命。因此需要DPM 开启设备主CPU对空闲外设的进行适时的关闭，降低电源模块的能耗提高智能手机的使用效率。
电源管理系统模块利用FC 接口，通过FC 总线接受应用系统中其他模块发送的控制命令，并根据命令，控制开关阵列的输出，可以实现分别为各可替换功能模块(LRM)的上下电。而当智能电源模块发生故障时，电源管理模块能够通过FC 总线将故障信息发送给应用系统的主控模块。在系统控制下，发生供电系统的重构动作，从而实现电源故障隔离。
参考文献：
[1] 徐进. 智能手机电源管理模块和音频模块设计[D]. 上海: 上海交通大学,2015.
[2] 刘平. 智能手机电源管理系统设计与故障分析方法研究[D]. 长春: 吉林大学,2014.
[3] 陈熹, 陈英, 戚正伟. 一种智能手机电源管理方案的设计与实现[J]. 计算机应用与软件,2016(09)82.
[4]张新柱，牛晓晨，马博．基于网络的猪舍环境监测预警系统［J］．西安邮电大学学报，2015，20
[5]王金晨，马思乐，纪成．基于MSP430的高精度微功耗可存取数字压力表设计［J］．化工自动化及仪表，2016(09)2.
论文作者:林杰
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/26
标签：电路论文; 电压论文; 电源论文; 信号论文; 系统论文; 芯片论文; 管理模块论文; 《中国西部科技》2019年第22期论文;