為便攜式設計選擇最佳的電源管理接口

2004年5月B版

　　便攜式系統的設計者要面對始終存在的新功能添加和功耗降低這兩方面相互沖突的要求。一方面，用戶(hù)需要手機能增加嵌入式攝像頭、附加照明和藍牙接口等新功能。而另一方面，他們希望便攜式系統能連續工作一天以上而無(wú)需重新充電。為了讓用戶(hù)滿(mǎn)意，設計者必須集成系統電源管理元件，這些元件將添加更高的智能和系統通信，以改善總的效率并延長(cháng)系統運行時(shí)間。

　　對便攜式系統的設計者來(lái)說(shuō)，上述問(wèn)題就意味著(zhù)他們必須找出一種方法，將電源管理控制的新功能添加到設計中，而不至于增加電路板的復雜性。為了實(shí)現這一目標，他們必須限制電源管理器件所用的引腳數，同時(shí)擴展其產(chǎn)品的功能集，保證不將微控制器上的所有GPIO引腳用光。

多種選擇

　　設計者可以增強其產(chǎn)品的功能，同時(shí)還滿(mǎn)足功率和占用面積的目標，途徑是利用各種電源管理功能的不同接口。他們可以從3種基本的接口類(lèi)型中選出一種。從硬件和軟件的角度看，最簡(jiǎn)單的辦法就是并行總線(xiàn)。這種接口由獨立的并行控制線(xiàn)構成，其最簡(jiǎn)化的和典型的形式是為每個(gè)電源元件的使能端提供一根GPIO線(xiàn)。

　　雖然并行總線(xiàn)非常有效，但在可擴展性方面存在一定的限制。首要的一點(diǎn)是，在所有的接口選擇中，它需要占用的微控制器和外設引腳更多。此外，它需要占用比其他選擇多得多的PCB面積，以布置各獨立連接線(xiàn)，這在空間狹窄的便攜式應用中是一個(gè)要著(zhù)重考慮的因素。

　　最后一點(diǎn)，很多便攜式應用系統設計，如開(kāi)合式手機和PDA，使用柔性的印刷電路板將主板PCB與子板連接到一起。子板上的許多功能，如閃爍光和各種顯示可能需要單獨的控制線(xiàn)。但要在柔性PCB上完成大量的走線(xiàn)，會(huì )讓成本大為增加，且對系統可靠性造成不利影響。

串行方法

　　另外一種流行的方法是采用串行總線(xiàn)來(lái)控制電源管理功能。普遍采用的串行接口，如I2C總線(xiàn)和SMBus，多年以來(lái)就已經(jīng)廣泛應用于便攜式設計，它們得到種類(lèi)繁多的、經(jīng)過(guò)驗證的硬件和軟件的支持。很多筆記本電腦和PDA的設計者采用串行方法 ，因為這些流行的串行架構只需一條總線(xiàn)就可以支持多種從設備，簡(jiǎn)化了到多個(gè)外設的通信問(wèn)題。

　　然而，使用串行總線(xiàn)的設計者，特別是研發(fā)尺寸很小的手持或者便攜式設備的人員，必須作出很多困難的折衷。雖然串行總線(xiàn)所用的連線(xiàn)數目要比并行總線(xiàn)的少，但在空間上的優(yōu)勢是以速度的損失為代價(jià)的。首先，數據吞吐率很少達到500kbps以上。其次，串行架構所用的定時(shí)機制更為復雜，迫使設計者不得不采用價(jià)格更高的硬件，而且在處理方面，也會(huì )增加核心微控制器和從器件的成本。第三，這些串行總線(xiàn)最少還需要為數據、時(shí)鐘以及接地各留出一根線(xiàn)，這對空間有限的便攜式設備來(lái)說(shuō)，是需要考慮的主要問(wèn)題之一。

單線(xiàn)接口

　　第三種方法(也是三種選擇中最新的一種)是單線(xiàn)總線(xiàn)。便攜式設計中的很多控制功能無(wú)需I2C等串行總線(xiàn)所具備的高級定時(shí)同步和尋址能力，或者I2C那樣復雜的設計。單線(xiàn)總線(xiàn)替代法提供了一種通過(guò)單線(xiàn)連接提供控制信號和信令的接口協(xié)議，從而簡(jiǎn)化設計和降低成本。

　　Advanced AnalogicTechnologies公司的S2Cwire單線(xiàn)總線(xiàn)對定時(shí)要求大為放寬。微控制器的運行可快可慢，而從設備無(wú)需本地時(shí)鐘或者精密的主時(shí)鐘。從而使得硬件和軟件的實(shí)現更為簡(jiǎn)單。為了讓電源管理功能具有更高的智能度，S2Cwire架構通過(guò)對時(shí)鐘沿的計數來(lái)運行。這種方法增加一個(gè)計數器，它通過(guò)裝在從器件中的ROM實(shí)現各種編程功能，S2Cwire并不提供I2C方法所具有的尋址和數據回讀等功能。但在機內不帶I2C的便攜式系統(如手機、PDA和數碼像機)應用方面，它為大批量的消費產(chǎn)品提供很高的集成化。

　　單線(xiàn)接口在電源管理應用方面具有獨特的優(yōu)勢。例如，設計者可以利用白光LED來(lái)對彩色TFT LCD進(jìn)行背光照明，傳統上，他們通過(guò)來(lái)自系統微控制器的I/O線(xiàn)對為白光LED供電的電荷泵或者DC/DC 升壓變換器進(jìn)行控制，控制信號是加到電源芯片的使能端的脈沖調寬(PWM)信號。LED的亮度一般通過(guò)改變占空比來(lái)進(jìn)行控制，讓變換器開(kāi)啟或關(guān)閉。采用單線(xiàn)式接口后，設計者就可以省去PWM控制信號而提供可編程的對數亮度設置。這種方法不僅在設計上更為簡(jiǎn)單，而且與傳統的基于PWM的硬件結構相比，它還可以通過(guò)軟件對范圍更寬的亮度級實(shí)現更好的控制。

　　單線(xiàn)接口也開(kāi)創(chuàng )了嶄新的電源管理方法。在便攜式設備市場(chǎng)上，設計目標是縮小占用面積和高效率。不過(guò)，由于在便攜式設備中不斷引入的新功能，仍然以GPIO線(xiàn)作為其控制的首選方法。在越來(lái)越多的情況下，便攜式系統的設計者無(wú)法獲得實(shí)現這些新功能所需的GPIO資源。

　　舉例來(lái)說(shuō)，將一個(gè)單線(xiàn)接口與多個(gè)獨立的負載開(kāi)關(guān)組合起來(lái)，則一組I/O擴展器負載開(kāi)關(guān)可以讓系統設計者使用最少工作量和成本即能擴展便攜式系統的I/O功能。設計者不必使用分立的MOSFET和幾根控制線(xiàn)來(lái)管理每項功能，而是能夠通過(guò)一根控制線(xiàn)來(lái)控制5種功能。這樣就制成一種尺寸為2mm