低電壓/低功耗的可編程片上系統為嵌入式系統提供了靈活的電源管理

為什么要關(guān)心電源管理？

由于多種因素，電源管理正變得非常重要。對于移動(dòng)手持嵌入式系統來(lái)說(shuō)，總是存在著(zhù)在增加電池壽命的同時(shí)要提供更多功能的壓力。當電池本身無(wú)法提高卻需要達到此要求時(shí)，提供更低功耗更好性能的芯片的壓力就落在了芯片供應商的身上。同時(shí)為了滿(mǎn)足縮短設計周期加速上市的要求，就需要提供更低功耗的靈活的可編程的器件。而且，綠色運動(dòng)要求減少電池廢品，這個(gè)要求對于嵌入式系統來(lái)說(shuō)就轉化為要進(jìn)行更少的電池更換。同樣，全球的政府法規（例如：能源之星）也要求減小電器設備中的待機電流。下一代嵌入式系統將需要在工作和睡眠模式下都具有極端低的功耗，而且為滿(mǎn)足上市時(shí)間要求所必需的靈活性和可編程性也同時(shí)需要得到提高。

除了更小的電流消耗之外，這里同樣也需要更低的系統電壓。幾年前，最小標準工作電壓是3.3伏特。目前，最小標準工作電壓是1.8伏特。將這一趨勢圖表化后，未來(lái)器件的最小標準工作電壓趨勢會(huì )延伸至亞伏特范圍，這將會(huì )成為一個(gè)現實(shí)。這使得用一個(gè)單節的AA或AAA電池來(lái)構造基于SoC的設計得以實(shí)現（電池的電壓壽命大約終止于0.9伏特）。盡管目前一些基于SoC的設計能在1.8伏特下運行，但是更經(jīng)常的是其模擬性能會(huì )在這樣低的電壓下降低。對于要求良好模擬性能的手持電池供電設計來(lái)說(shuō)，能夠在低于1伏特下運行且依舊滿(mǎn)足模擬性能要求，可以可以使用一個(gè)單節的AA或AAA電池供電。這個(gè)對于客戶(hù)來(lái)說(shuō)就是可以需要更少的電池從而降低成本。

如何實(shí)現亞伏特的運行？

當嵌入式SoC器件有一個(gè)內置的升壓轉換器，這個(gè)內置的升壓轉換器可以將輸入電壓（如0.9伏特輸入電壓）升至一個(gè)更高的系統電壓級（如3.3伏特），這時(shí)能夠實(shí)現亞伏特運行。在此模式下，重要的是來(lái)自升壓轉換器的噪聲不會(huì )影響模擬外圍設備的性能。圖1顯示了一個(gè)集成的升壓轉換器系統級的連接情況，這個(gè)集成的升壓轉換器是來(lái)自賽普拉斯半導體的一個(gè)PSoC 3可編程片上系統芯片的一部分。

圖1一個(gè)外部低電壓升至一個(gè)內部更高電壓的系統級連接情況

具有能夠接受亞伏特輸入電壓的一個(gè)集成升壓轉換器有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.能夠通過(guò)一個(gè)單節AA或AAA電池來(lái)使系統工作
2.即使使用一個(gè)變化的電源電壓也能夠提供一個(gè)最低保證系統電壓
3.能夠使用升高的輸出電壓來(lái)運行系統中需要更高電壓的其他電路。例如：LCD，傳感器電路等。

寬的電源電壓范圍：

一個(gè)從1.8伏特（0.9伏特即可激活升壓）橫跨至5.5伏特的寬電壓范圍可以給用戶(hù)提供最大的靈活性，原因如下：

1.正如表1所示，對于最常見(jiàn)的電池來(lái)說(shuō)，能夠從標準電池電壓橫跨至其壽命電壓的終點(diǎn)
2.兼容3.3伏特和5伏特的傳統系統電壓
3.5.5伏特的上限為來(lái)自傳統系統的信號軌至軌的測量提供了5伏特以上的寬裕度。

通過(guò)在器件內部提供內置的低壓差線(xiàn)性穩壓器能夠提供寬范圍的外部電源電壓，這個(gè)寬范圍的外部電源電壓可以為芯片保持一個(gè)穩定的低核心電壓。而且數字域和模擬域都具有分開(kāi)獨立的內部穩壓器可以確保模擬性能不會(huì )受到來(lái)自數字電源軌噪聲的損害。圖2 顯示了系統級連接情況和可容納一個(gè)寬電源電壓范圍的內部穩壓器。

圖2 內部穩壓器的系統級連接情況

在圖2中，當內置的模擬和數字穩壓器能夠確保內核依舊運行在一個(gè)穩定的低電壓下時(shí)，Vddd和Vdda能夠從1.71伏特變化至5.5伏特。如果采取了適當的設計，此系統同樣也可確保在整個(gè)電源電壓范圍內都具有相同的模擬性能。

I/O組的獨立電源

為了允許連接系統中可能具有不同系統電壓的其他器件，一個(gè)SoC需要具有分開(kāi)獨立的I/O電源，這些I/O電源能夠被獨立設置為具有一個(gè)寬電壓范圍內的任何電壓。正如圖3所示，一個(gè)具有4個(gè)I/O組的SoC，其中每個(gè)I/O組都能夠被從1.8伏特至5伏特范圍內的任何電壓驅動(dòng)，可以提供與PCB上其他器件的無(wú)縫連接。

圖3 每個(gè)I/O組的獨立電源電壓可以提供與可能運行在不同電壓下器件的無(wú)縫連接

靈活的電源模式

當可編程系統低耗電性依舊是個(gè)神話(huà)時(shí)，深思熟慮后產(chǎn)生的可編程的SoC已經(jīng)能夠擁有世界一流的電流，可與獨立的MCU相匹配。牢記最終客戶(hù)的應用，表2中顯示了合乎需要的電源模式以及它們的電流。

在用戶(hù)主動(dòng)使用表1中顯示的工作模式時(shí)，它是系統正常運行的模式。一個(gè)可編程的SoC將允許在此模式下選擇性地禁用不需要的外圍設備。

在交替工作模式下，所選定的較少數量的外圍設備會(huì )有效工作。這提供了一個(gè)降低功耗的工作模式，能夠從正常的工作模式進(jìn)入此模式。一旦從此模式中退出，系統就會(huì )返回正常工作模式。對此可以舉一個(gè)例子，如對于一個(gè)帶顯示器的嵌入式系統，可以在單獨關(guān)斷顯示器的電源的同時(shí)，保持嵌入式系統依舊繼續運行。當需要關(guān)斷顯示器時(shí)，系統將進(jìn)入備用工作模式，其中將關(guān)斷顯示器所需要的外圍設備的電源。

在電池供電的嵌入式系統中通常會(huì )使用到睡眠模式。這是一個(gè)極端低功耗的模式，其中所有的外圍設備都處于低功耗狀態(tài)，然而會(huì )保持一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。此模式同樣也用于需要經(jīng)常在工作和睡眠模式之間循環(huán)運行的系統中。對此可以舉一個(gè)例子，如一個(gè)溫度傳感器，它每分鐘都需要更新其讀數。系統會(huì )在每分鐘被喚醒，讀取數再返回睡眠模式。其結果會(huì )降低平均功耗。

休眠是器件的最低功耗模式，此模式下依舊能夠保持存儲器中的內容和配置情況。它能夠從一個(gè)I/O源就喚醒器件，這也給用戶(hù)或系統中另外的器件提供了喚醒器件的能力。休眠模式同樣也能夠用于消除一個(gè)手持器件中使用電源開(kāi)關(guān)的需要（既然按下任何按鈕都能夠喚醒器件）。

結論

可編程的片上系統(PSoC)可提供高的集成度，且通過(guò)使用一個(gè)可高效配置和編程的系統可同時(shí)提供給用戶(hù)建立起他們自己定制的外圍設備的能力。精心設計的可編程的SoC能夠提供世界一流的電源管理功能，它不僅能夠滿(mǎn)足MCU的電量要求而且同樣也可提供一種可配置的電源管理系統，這種可配置的電源管理系統同樣能夠提供精確的模擬性能。

賽普拉斯半導體的PSoC 3 和PSoC 5系列是現場(chǎng)可編程的嵌入式SoC，它具有可編程的數字模塊和可配置的模擬模塊。設計這些器件能給用戶(hù)提供最大可能的靈活性和可編程性，同時(shí)又消耗非常少的睡眠電流和工作電流。它同樣也提供精確的模擬性能（16位至20位的精度）。PSoC Creator是一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境軟件，能夠用于對PSoC 3 和 PSoC 5系列進(jìn)行從端至端的迅速地開(kāi)發(fā)設計，這包括器件選擇，給數字和模擬外圍設備進(jìn)行配置/編程，配置電源系統，固件開(kāi)發(fā)，調試和編程的全部過(guò)程。