具有自適應(yīng)開機(jī)和冬眠功能的電源管理設(shè)計(jì)

摘要：消費(fèi)類電子產(chǎn)品主控SoC芯片內(nèi)電源管理部分的設(shè)計(jì)對(duì)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(jì)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(shí)現(xiàn)了冬眠功能，其特點(diǎn)是在待機(jī)狀態(tài)下，SoC上除電源管理單元和實(shí)時(shí)時(shí)鐘外全部關(guān)電，而后能響應(yīng)用戶請(qǐng)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

0 引言
隨著科技的進(jìn)步，手機(jī)，MP3／MP4，PDA等消費(fèi)類電子產(chǎn)品的智能化程度越來越高，功耗越來越低而價(jià)格越來越便宜。與此趨勢(shì)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(jí)印刷電路板(以下簡稱PCB)上獨(dú)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(shí)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3．6V)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(diǎn)是方案成本較高，功耗控制簡單即PMIC的電源輸出同時(shí)開或同時(shí)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(shí)鐘頻率和關(guān)停時(shí)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(diǎn)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(shí)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(dòng)態(tài)啟停PMIC的某一路或某幾路電源輸出?；诖祟怭MU，SoC可以實(shí)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(shí)時(shí)時(shí)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(shí)在SoC外部，動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)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(dòng)系統(tǒng)。
另外，在PMU的開關(guān)機(jī)控制中存在一個(gè)細(xì)節(jié)問題：PMU所輸出的開機(jī)使能電平是固定的，或?yàn)楦呋驗(yàn)榈?；在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)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?yàn)檐浖仨氃赟oC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(shí)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(jì)的SoC中改進(jìn)了PMU的設(shè)計(jì)，實(shí)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(dòng)判別并記憶，然后輸出正確的開機(jī)使能電平；同時(shí)PMU實(shí)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(shí)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(jì)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(duì)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。
RSTn：復(fù)位輸入，低電平有效；在PCB上有一個(gè)由主電源VDDC供電的復(fù)位發(fā)生器(PoR)。當(dāng)VDDC掉電時(shí)，RSTn將保持為低；當(dāng)VDDC上電時(shí)，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(shí)鐘輸入，用于給按鍵計(jì)時(shí)；(此時(shí)鐘為復(fù)用RTC模塊的低功耗高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘)。
PSI[1：0]：2個(gè)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(gè)電源使能輸出接口，PSO[0]使能VDDC，PSO[1]使能VDDM。