個(gè)人導航設備的電源管理子系統設計

最近兩年，個(gè)人導航設備(PND Personal Navigation Device)被越來(lái)越多的消費者所接受;PND的功能也日趨多樣化，從單一具有導航功能發(fā)展到附加如多媒體應用的更多功能，比如通過(guò)藍牙實(shí)現免提功能。整個(gè)PND系統由此變得越來(lái)越復雜，給設計者帶來(lái)一系列新的挑戰，包括如何優(yōu)化系統的功耗，如何簡(jiǎn)化整個(gè)系統的設計以及如何加快產(chǎn)品的上市時(shí)間等。而選用合適的電源管理單元(PMU)有助于設計師解決這些問(wèn)題。

首先采用PMU可以簡(jiǎn)化設計，節省成本。因為要優(yōu)化PND的功耗必須對各個(gè)功能模塊的供電進(jìn)行單獨控制。如果采用分立器件則需較多的GPIO來(lái)分別控制他們，而采用PMU則可以通過(guò)I2C或其他簡(jiǎn)單串行通信方式來(lái)控制各路電源的開(kāi)關(guān)。另外很多處理器對上電時(shí)序有嚴格要求，這樣通常需要一個(gè)小的MCU去控制各分立器件來(lái)實(shí)現上電時(shí)序;而大部分PMU可提供處理器所需的上電時(shí)序，無(wú)需再額外增加MCU。借助于PMU的這些特點(diǎn)，使用PMU在簡(jiǎn)化設計的同時(shí)還可節省成本。當然，這樣做的好處還可以節省PCB空間，簡(jiǎn)化PCB設計。

在PND系統中采用PMU還能夠方便設計者進(jìn)行功耗優(yōu)化設計和熱設計，延長(cháng)電池的使用時(shí)間和防止PND內部溫度過(guò)高而損壞PND。

一些PMU的電源輸出電壓可以通過(guò)軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整，設計者可以根據不同的應用來(lái)調整電源的輸出電壓。例如，在播放MP3時(shí)，可以將處理器的核電壓設定為1.2V，而在計算導航路徑時(shí)將核電壓設定為1.35V。如果采用分立器件則核電壓必須統一設定為1.35V或更高。那么在播放MP3時(shí)，處理器的核將會(huì )多消耗高達30%~50%的功耗。通常PMU還會(huì )提供一些系統的監控功能，比如監控電池的電壓、PMU自身的溫度等。這將進(jìn)一步幫助設計者優(yōu)化功耗設計和熱設計。比如，PND檢測到芯片溫度過(guò)高則可以自動(dòng)終止某些不必要的應用，如停止MP3播放或調低充電電流。

除了以上提到的，在PND系統中采用PMU還可以加快產(chǎn)品的上市時(shí)間。由于PMU的每一路電源輸出的電壓和開(kāi)關(guān)都可以由軟件來(lái)控制，電池的充電電流的大小也可以通過(guò)軟件來(lái)進(jìn)行設定，同一個(gè)PMU可以用于不同的產(chǎn)品，軟件也可以相互兼容。設計者可以節省測試，驗證新器件和重寫(xiě)軟件的時(shí)間，同時(shí)也可以避免選用新器件帶來(lái)的一些風(fēng)險。這些都有助于縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。

PMU還呈現出一些新的發(fā)展動(dòng)向，最典型的就是將一些音頻處理功能集成進(jìn)PMU當中。如何在不增加成本和不犧牲音頻性能的情況下將電源器件與音頻處理器件集成在同一個(gè)芯片上，對PMU的設計者存在一定的設計挑戰，需要PMU的設計者同時(shí)具有豐富的電源器件設計經(jīng)驗和音頻器件設計經(jīng)驗，因為電源器件特別是DC/DC的噪聲會(huì )顯著(zhù)降低音頻性能。而奧地利微電子公司的AS3*、AS3658芯片就很好得解決了這些問(wèn)題。

在為PND選擇PMU時(shí)要注意以下幾點(diǎn)。首先，要選擇一個(gè)能夠滿(mǎn)足未來(lái)1~2年應用需求的PMU。主要考慮的因素有：各電源輸出電壓范圍和負載能力，充電器是否能支持更大容量的電池，音頻的編解碼器(CODEC)能否滿(mǎn)足未來(lái)1-2年的可能的主流應用。其次，要考慮PMU是否提供一些必要的系統監控功能，比如監控電池電壓、充電器輸入電壓、PMU芯片的溫度等。第三，要考慮PMU的供應商的設計和生產(chǎn)能力。PMU特別是集成了音頻CODEC的PMU是一個(gè)非常復雜的模擬器件，PMU供應商如果沒(méi)有多年的PMU設計經(jīng)驗，用戶(hù)將會(huì )面臨很大的風(fēng)險。PMU供應商是否有自己的芯片生產(chǎn)工廠(chǎng)也是一個(gè)重要的考慮因數，因為模擬器件的設計于生產(chǎn)工藝是密切相關(guān)的。

奧地利微電子公司有多款PMU可供選擇，可以滿(mǎn)足從入門(mén)級的個(gè)人導航設備應用到高端的個(gè)人導航設備的應用。其中剛發(fā)布的AS3658就非常適合中高端PND的應用。

AS3658(圖1)可以滿(mǎn)足PND中絕大部分的電源需求(包括上電時(shí)序要求)和音頻處理要求，大大降低了系統的復雜度。

圖1：AS3658的典型應用框圖。

AS3658主要集成了：

1. 3個(gè)500mA輸出的降壓型DC/DC。其中一個(gè)通過(guò)外加MOSFET可以將輸出電流擴展到1.6A，并支持動(dòng)態(tài)電源管理功能(DVM Dynamic Voltage Management)。這三路DC/DC可以分別給I/O，存儲器和內核供電。

2. 4個(gè)數字LDO。他們可以用來(lái)給內核，鎖相環(huán)回路等供電。

3.3個(gè)射頻LDO。他們可以給GPS的射頻、藍牙的射頻、FM收發(fā)器等供電。

4. 1個(gè)5V/100mA的充電泵，可以用作LCD的5V偏壓。

5. 2個(gè)升壓型DC/DC。其中一個(gè)與耐高壓的電流源組合在一起可以用作LCD的背光電源。另外一個(gè)可以用來(lái)給驅動(dòng)揚聲器的功放供電或者用來(lái)提供LCD所需的正負偏壓。

6. 一個(gè)充電電流可達880mA的USB充電器。

7. 一個(gè)輸入電壓可達15V的DC/DC型的充電器，該充電器也可以配置成線(xiàn)性的充電器，充電電流可達1A。

AS3658還集成了：

1. 一個(gè)高性能的音頻CODEC。

2. 一個(gè)雙向的復位電路，復位引腳可以復位外部器件如處理器等，也可以作為AS3658復位的輸入引腳來(lái)復位AS3658。

3. 一個(gè)觸摸屏控制器。

4. 一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)及其備份電池的充電器。實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以每秒或每分鐘產(chǎn)生一個(gè)中斷。AS3658處于關(guān)機狀態(tài)下也可以用此實(shí)時(shí)時(shí)鐘來(lái)使AS3658開(kāi)機。另外，RTC也支持定時(shí)開(kāi)機功能。

5. 一些系統監控功能，如電池電壓、充電器輸入電壓、芯片溫度、看門(mén)狗、中斷控制器等。

6. 8組預先定義的上電時(shí)序，其中包括了目前市場(chǎng)上主流處理器要求的上電時(shí)序。

7. 一個(gè)標準I2C接口。處理器可以通過(guò)他來(lái)實(shí)現對AS3658的控制。

其中AS3658獨具特色的DC/DC充電器具有較寬的輸入電壓范圍(5~15V)。通常需要一個(gè)適配器將汽車(chē)電池的電壓從12V降到5V來(lái)給PND的電池充電。而通過(guò)增加一些額外的MOSFET，AS3658充電電路的最高輸入電壓可以由15V提升到50V甚至更高，這樣可使消費者將PND直接連到汽車(chē)(包括卡車(chē))的點(diǎn)煙器電源上而不需要外部的適配器。

相比線(xiàn)性充電器，DC/DC型的充電器還可以減少充電器的自身的功耗從而減少發(fā)熱。另外，線(xiàn)性充電器自身的功耗絕大部分是消耗在內部的一個(gè)晶體管上，因此該晶體管的溫度會(huì )非常高從而可能縮短充電器的使用壽命，也會(huì )造成PND內部局部溫度過(guò)高;而DC/DC型的充電器自身的功耗是分散在幾個(gè)不同的外部元器件上，所以充電器自身溫升會(huì )很小。

DC/DC型充電器還能夠進(jìn)行精確的電池剩余容量檢測，充電器內部的FUEL GAUGE模塊會(huì )實(shí)時(shí)監測流進(jìn)或流出電池的電量，用戶(hù)可以據此來(lái)精確計算電池的剩余容量。其還具備完善的充電保護和充電指示功能，包括電池過(guò)溫保護和對是否有充電器插入和電池是否充滿(mǎn)的指示功能。

總結起來(lái)，與線(xiàn)性的充電器相比，DC/DC型充電器至少可以給設計者和用戶(hù)帶來(lái)三大好處。其一，能夠以更大的電流來(lái)對電池充電從而縮短充電時(shí)間;其二，能夠顯著(zhù)降低PND內部的溫升，從而可以簡(jiǎn)化PND的熱設計，提高PND的可靠性;其三，能夠降低整個(gè)PND的成本。

而AS3658高性能的CODEC(圖2)則具有以下特點(diǎn)：

1. 每一路模擬音頻輸入或輸出的左右聲道的音量多可以分別調節(32級可調)。

2. 18位94dB的音頻DAC。

3. 14位82dB的音頻ADC。模擬音頻的輸入可以是麥克風(fēng)輸入或線(xiàn)輸入或混音器的輸出。

4. 多個(gè)I2S/PCM接口。I2S所需的主時(shí)鐘可以由內部的PLL產(chǎn)生，也可以從處理器輸入。同時(shí)I2S1還可以作為I2S的主設備。PCM接口可以方便地實(shí)現藍牙免提功能。

5. 混音器可以實(shí)現多種音頻輸入到音頻輸出的路徑，可以實(shí)現多種應用場(chǎng)景。

6. 5波段的音效處理模塊可以有效降低對處理器性能的要求，降低播放MP3等時(shí)的功耗。

圖2：高性能的音頻CODEC。

此外，AS3658還具備完善的系統監控功能和獨特的待機模式。

AS3658提供豐富的系統監控功能，與中斷控制器配合可以方便地實(shí)現處理器對系統的監控。其可監控充電器的狀態(tài)，可監控充電器電源是否?插入或拔出，充電器是處于涓流充電，是恒流充電還是恒壓充電狀態(tài)，電池是否充滿(mǎn)，電池是否過(guò)溫等。

其還可監控各路電源的輸出是否欠壓，麥克風(fēng)是否連接，是否有線(xiàn)控按鍵被按下(AS3658的麥克風(fēng)可實(shí)現線(xiàn)控功能)。還可監控AS3658芯片的結溫并在過(guò)溫的情況下提供必要的保護。設計者也可以通過(guò)內部的ADC實(shí)時(shí)讀取芯片的結溫度來(lái)實(shí)現對整個(gè)負載的動(dòng)態(tài)管理。

另外還可監控引起系統復位的原因。而PND可以根據不同的復位原因來(lái)決定采取什么動(dòng)作。比如，在PND處于關(guān)機的狀態(tài)下插入充電器電源時(shí)會(huì )使PMU上電復位從而使PND開(kāi)機;但處理器可以知道是充電器插入引起的上電復位，那么處理器只需設定好充電器然后將PND置于一種低功耗模式，然后等電池充滿(mǎn)后再將PND關(guān)機。這樣，用戶(hù)感覺(jué)PND還是一直處于關(guān)機狀態(tài)。又比如，如果處理器發(fā)現是看門(mén)狗引起的復位(其具有看門(mén)狗功能，如果系統軟件跑飛的話(huà)，看門(mén)狗可以協(xié)助恢復系統?？撮T(mén)狗可以通過(guò)軟件的方式來(lái)觸發(fā)也可以通過(guò)一個(gè)GPIO輸入來(lái)觸發(fā)。)那么，PND可以采取特殊的處理方法來(lái)恢復系統以減少對用戶(hù)數據的破壞。

現在絕大部分的PND在開(kāi)機時(shí)先將代碼從NAND FLASH拷貝到SDRAM然后從SDRAM中執行代碼。將代碼從FLASH拷貝到SDRAM需要一定的時(shí)間，通常給用戶(hù)的體驗是開(kāi)機時(shí)間過(guò)長(cháng)。AS3658提供一種功能就是可以在PND關(guān)機后關(guān)斷其他的電源而保持SDRAM的電源。這樣在下次開(kāi)機時(shí)可以直接從SDRAM開(kāi)始執行代碼。當然要實(shí)現此功能還需借助AS3658的另一功能。AS3658提供一個(gè)8位的SRAM給用戶(hù)使用，SRAM的內容在處于待機模式或完全關(guān)機的狀態(tài)下也會(huì )保持。設計者可以用此SRAM來(lái)標記SDRAM中是否有正確的代碼從而決定采用哪種啟動(dòng)模式：是從FLASH啟動(dòng)還是直接從SDRAM啟動(dòng)。當退出該模式時(shí)，AS3658會(huì )執行一次上電復位過(guò)程但給SDRAM供電的電源會(huì )一直保持。按開(kāi)機鍵或插入充電器電源或任一中斷發(fā)生后會(huì )使AS3658退出此待機模式。

越來(lái)越多的PND設計者已經(jīng)認識到PMU給他們帶來(lái)的價(jià)值并開(kāi)始在他們的設計中嘗試使用PMU。奧地利微電子公司一直專(zhuān)注于為客戶(hù)提供適合PND使用的PMU。除了現有產(chǎn)品，其還將于2008年再推出1~2款適合中低端PND應用的PMU。