個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備的電源管理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

最近兩年，個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備(PND Personal Navigation Device)被越來(lái)越多的消費(fèi)者所接受;PND的功能也日趨多樣化，從單一具有導(dǎo)航功能發(fā)展到附加如多媒體應(yīng)用的更多功能，比如通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)免提功能。整個(gè)PND系統(tǒng)由此變得越來(lái)越復(fù)雜，給設(shè)計(jì)者帶來(lái)一系列新的挑戰(zhàn)，包括如何優(yōu)化系統(tǒng)的功耗，如何簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)師解決這些問題。

首先采用PMU可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，節(jié)省成本。因?yàn)橐獌?yōu)化PND的功耗必須對(duì)各個(gè)功能模塊的供電進(jìn)行單獨(dú)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I2C或其他簡(jiǎn)單串行通信方式來(lái)控制各路電源的開關(guān)。另外很多處理器對(duì)上電時(shí)序有嚴(yán)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(xiàn)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(shè)計(jì)的同時(shí)還可節(jié)省成本。當(dāng)然，這樣做的好處還可以節(jié)省PCB空間，簡(jiǎn)化PCB設(shè)計(jì)。

在PND系統(tǒng)中采用PMU還能夠方便設(shè)計(jì)者進(jìn)行功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間和防止PND內(nèi)部溫度過高而損壞PND。

一些PMU的電源輸出電壓可以通過軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)不同的應(yīng)用來(lái)調(diào)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(shè)定為1.2V，而在計(jì)算導(dǎo)航路徑時(shí)將核電壓設(shè)定為1.35V。如果采用分立器件則核電壓必須統(tǒng)一設(shè)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(dá)30%~50%的功耗。通常PMU還會(huì)提供一些系統(tǒng)的監(jiān)控功能，比如監(jiān)控電池的電壓、PMU自身的溫度等。這將進(jìn)一步幫助設(shè)計(jì)者優(yōu)化功耗設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)。比如，PND檢測(cè)到芯片溫度過高則可以自動(dòng)終止某些不必要的應(yīng)用，如停止MP3播放或調(diào)低充電電流。

除了以上提到的，在PND系統(tǒng)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軟件來(lái)進(jìn)行設(shè)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(shè)計(jì)者可以節(jié)省測(cè)試，驗(yàn)證新器件和重寫軟件的時(shí)間，同時(shí)也可以避免選用新器件帶來(lái)的一些風(fēng)險(xiǎn)。這些都有助于縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。

PMU還呈現(xiàn)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(dāng)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(duì)PMU的設(shè)計(jì)者存在一定的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，需要PMU的設(shè)計(jì)者同時(shí)具有豐富的電源器件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和音頻器件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)殡娫雌骷貏e是DC/DC的噪聲會(huì)顯著降低音頻性能。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)能夠滿足未來(lái)1~2年應(yīng)用需求的PMU。主要考慮的因素有：各電源輸出電壓范圍和負(fù)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)能否滿足未來(lái)1-2年的可能的主流應(yīng)用。其次，要考慮PMU是否提供一些必要的系統(tǒng)監(jiān)控功能，比如監(jiān)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(yīng)商的設(shè)計(jì)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(fù)雜的模擬器件，PMU供應(yīng)商如果沒有多年的PMU設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，用戶將會(huì)面臨很大的風(fēng)險(xiǎn)。PMU供應(yīng)商是否有自己的芯片生產(chǎn)工廠也是一個(gè)重要的考慮因數(shù)，因?yàn)槟M器件的設(shè)計(jì)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，可以滿足從入門級(jí)的個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備應(yīng)用到高端的個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備的應(yīng)用。其中剛發(fā)布的AS3658就非常適合中高端PND的應(yīng)用。

AS3658(圖1)可以滿足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(tǒng)的復(fù)雜度。

圖1：AS3658的典型應(yīng)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)通過外加MOSFET可以將輸出電流擴(kuò)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(chǔ)器和內(nèi)核供電。

2. 4個(gè)數(shù)字LDO。他們可以用來(lái)給內(nèi)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(lán)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(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的功放供電或者用來(lái)提供LCD所需的正負(fù)偏壓。

6. 一個(gè)充電電流可達(dá)880mA的USB充電器。

7. 一個(gè)輸入電壓可達(dá)15V的DC/DC型的充電器，該充電器也可以配置成線性的充電器，充電電流可達(dá)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(fù)位電路，復(fù)位引腳可以復(fù)位外部器件如處理器等，也可以作為AS3658復(fù)位的輸入引腳來(lái)復(fù)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(jī)狀態(tài)下也可以用此實(shí)時(shí)時(shí)鐘來(lái)使AS3658開機(jī)。另外，RTC也支持定時(shí)開機(jī)功能。

5. 一些系統(tǒng)監(jiān)控功能，如電池電壓、充電器輸入電壓、芯片溫度、看門狗、中斷控制器等。

6. 8組預(yù)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(biāo)準(zhǔn)I2C接口。處理器可以通過他來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)AS3658的控制。

其中AS3658獨(dú)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)適配器將汽車電池的電壓從12V降到5V來(lái)給PND的電池充電。而通過增加一些額外的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(fèi)者將PND直接連到汽車(包括卡車)的點(diǎn)煙器電源上而不需要外部的適配器。

相比線性充電器，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，線性充電器自身的功耗絕大部分是消耗在內(nèi)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(nèi)部局部溫度過高;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(cè)，充電器內(nèi)部的FUEL GAUGE模塊會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流進(jìn)或流出電池的電量，用戶可以據(jù)此來(lái)精確計(jì)算電池的剩余容量。其還具備完善的充電保護(hù)和充電指示功能，包括電池過溫保護(hù)和對(duì)是否有充電器插入和電池是否充滿的指示功能。

總結(jié)起來(lái)，與線性的充電器相比，DC/DC型充電器至少可以給設(shè)計(jì)者和用戶帶來(lái)三大好處。其一，能夠以更大的電流來(lái)對(duì)電池充電從而縮短充電時(shí)間;其二，能夠顯著降低PND內(nèi)部的溫升，從而可以簡(jiǎn)化PND的熱設(shè)計(jì)，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(diào)節(jié)(32級(jí)可調(diào))。

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(nèi)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(shè)備。PCM接口可以方便地實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙免提功能。

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

6. 5波段的音效處理模塊可以有效降低對(duì)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(tǒng)監(jiān)控功能和獨(dú)特的待機(jī)模式。

AS3658提供豐富的系統(tǒng)監(jiān)控功能，與中斷控制器配合可以方便地實(shí)現(xiàn)處理器對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控。其可監(jiān)控充電器的狀態(tài)，可監(jiān)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，電池是否過溫等。

其還可監(jiān)控各路電源的輸出是否欠壓，麥克風(fēng)是否連接，是否有線控按鍵被按下(AS3658的麥克風(fēng)可實(shí)現(xiàn)線控功能)。還可監(jiān)控AS3658芯片的結(jié)溫并在過溫的情況下提供必要的保護(hù)。設(shè)計(jì)者也可以通過內(nèi)部的ADC實(shí)時(shí)讀取芯片的結(jié)溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)負(fù)載的動(dòng)態(tài)管理。

另外還可監(jiān)控引起系統(tǒng)復(fù)位的原因。而PND可以根據(jù)不同的復(fù)位原因來(lái)決定采取什么動(dòng)作。比如，在PND處于關(guān)機(jī)的狀態(tài)下插入充電器電源時(shí)會(huì)使PMU上電復(fù)位從而使PND開機(jī);但處理器可以知道是充電器插入引起的上電復(fù)位，那么處理器只需設(shè)定好充電器然后將PND置于一種低功耗模式，然后等電池充滿后再將PND關(guān)機(jī)。這樣，用戶感覺PND還是一直處于關(guān)機(jī)狀態(tài)。又比如，如果處理器發(fā)現(xiàn)是看門狗引起的復(fù)位(其具有看門狗功能，如果系統(tǒng)軟件跑飛的話，看門狗可以協(xié)助恢復(fù)系統(tǒng)?？撮T狗可以通過軟件的方式來(lái)觸發(fā)也可以通過一個(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(fù)系統(tǒng)以減少對(duì)用戶數(shù)據(jù)的破壞。

現(xiàn)在絕大部分的PND在開機(jī)時(shí)先將代碼從NAND FLASH拷貝到SDRAM然后從SDRAM中執(zhí)行代碼。將代碼從FLASH拷貝到SDRAM需要一定的時(shí)間，通常給用戶的體驗(yàn)是開機(jī)時(shí)間過長(zhǎng)。AS3658提供一種功能就是可以在PND關(guān)機(jī)后關(guān)斷其他的電源而保持SDRAM的電源。這樣在下次開機(jī)時(shí)可以直接從SDRAM開始執(zhí)行代碼。當(dāng)然要實(shí)現(xiàn)此功能還需借助AS3658的另一功能。AS3658提供一個(gè)8位的SRAM給用戶使用，SRAM的內(nèi)容在處于待機(jī)模式或完全關(guān)機(jī)的狀態(tài)下也會(huì)保持。設(shè)計(jì)者可以用此SRAM來(lái)標(biāo)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(dāng)退出該模式時(shí)，AS3658會(huì)執(zhí)行一次上電復(fù)位過程但給SDRAM供電的電源會(huì)一直保持。按開機(jī)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(jī)模式。

越來(lái)越多的PND設(shè)計(jì)者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到PMU給他們帶來(lái)的價(jià)值并開始在他們的設(shè)計(jì)中嘗試使用PMU。奧地利微電子公司一直專注于為客戶提供適合PND使用的PMU。除了現(xiàn)有產(chǎn)品，其還將于2008年再推出1~2款適合中低端PND應(yīng)用的PMU。