具有自適應開(kāi)機和冬眠功能的電源管理設計

摘要：消費類(lèi)電子產(chǎn)品主控SoC芯片內電源管理部分的設計對產(chǎn)品整機的功耗控制至關(guān)重要。為降低產(chǎn)品功耗和節省成本，設計了與任意片外開(kāi)機使能電平相匹配的自適應開(kāi)機接口使電子產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)機電路得到簡(jiǎn)化；并通過(guò)軟硬件協(xié)作實(shí)現了冬眠功能，其特點(diǎn)是在待機狀態(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，而后能響應用戶(hù)請求迅速恢復系統運行。
關(guān)鍵詞：SoC芯片；電源管理；“自適應”開(kāi)機；“冬眠”功能

0 引言
隨著(zhù)科技的進(jìn)步，手機，MP3／MP4，PDA等消費類(lèi)電子產(chǎn)品的智能化程度越來(lái)越高，功耗越來(lái)越低而價(jià)格越來(lái)越便宜。與此趨勢相應的就是此類(lèi)產(chǎn)品的電源管理方案更加復雜和靈活。
以手機為例，起初手機的電源管理只包括簡(jiǎn)單的電源開(kāi)通／關(guān)閉功能，由系統級印刷電路板(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PCB)上獨立于主控芯片(以下簡(jiǎn)稱(chēng)SoC)之外的控制電路和電源管理芯片(PMIC)實(shí)現，其中PMIC的基本功能是把手機電池的單電壓輸入(手機鋰電池的電壓為3．6V)轉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(jiǎn)單即PMIC的電源輸出同時(shí)開(kāi)或同時(shí)關(guān)?；诖朔N簡(jiǎn)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。
如今的智能手機都將電源控制部分集成到主控芯片內部作為電源管理單元(PMU)，其優(yōu)點(diǎn)是節省成本，和能夠實(shí)現靈活的電源控制：包括靈活控制開(kāi)關(guān)機、靈活調節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(guò)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?lèi)PMU，SoC可以實(shí)現包括降低電壓和關(guān)斷電源在內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)以維持其記憶體內容不變。當冬眠喚醒(Wakeup from Hibernation)被觸發(fā)后，PMU恢復SoC的正常供電并指示軟件從SDRAM直接啟動(dòng)系統。
另外，在PMU的開(kāi)關(guān)機控制中存在一個(gè)細節問(wèn)題：PMU所輸出的開(kāi)機使能電平是固定的，或為高或為低；在系統設計中必須保證PMU所輸出的開(kāi)機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(kāi)機使能電平的確定難以通過(guò)軟件的方法來(lái)解決，因為軟件必須在SoC正常上電之后才能運行，如果在芯片上電之前，PMU中預定的開(kāi)機使能電平與實(shí)際PMIC要求的電平不符，則無(wú)法正常開(kāi)機。
筆者在其公司最新設計的SoC中改進(jìn)了PMU的設計，實(shí)現了自適應開(kāi)機和冬眠功能。其中，自適應開(kāi)機就是無(wú)論外部PMIC所要求的開(kāi)機使能電平是高是低，PMU通過(guò)自身硬件進(jìn)行自動(dòng)判別并記憶，然后輸出正確的開(kāi)機使能電平；同時(shí)PMU實(shí)現了特殊硬件機制使得系統開(kāi)發(fā)人員能通過(guò)軟硬件結合輕松實(shí)現冬眠功能。

1 電源管理單元
首先給出PMU的接口和寄存器設置，讀者由此可以把握本PMU設計的基本規范(spec)。如圖1所示。

1．1 PMU接口
VDDP／GNDP：專(zhuān)門(mén)給PMU供電的管腳，一直有電(Always on Power)；與之對應，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其他部件供電。
RSTn：復位輸入，低電平有效；在PCB上有一個(gè)由主電源VDDC供電的復位發(fā)生器(PoR)。當VDDC掉電時(shí)，RSTn將保持為低；當VDDC上電時(shí)，RSTn經(jīng)過(guò)一段延遲(如50 ms，不同復位發(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，用于給按鍵計時(shí)；(此時(shí)鐘為復用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(kāi)關(guān)機鍵，PSI[1]用于“冬眠”喚醒鍵；輸入值為低表示相應鍵有按下。
PSO[1：0]：2個(gè)電源使能輸出接口，PSO[0]使能VDDC，PSO[1]使能VDDM。