S3C2440A嵌入式手持終端電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
電源管理(Power Management，PM)是電子系統(tǒng)中必不可少的技術(shù)。由于采用了先進(jìn)的電源管理技術(shù)，移動(dòng)電話、PDA等產(chǎn)品得到了廣泛的應(yīng)用。如果不采用完善的電源管理技術(shù)，移動(dòng)電話的通話時(shí)間可能不超過2 min。隨著人們對(duì)嵌入式手持終端設(shè)備功能水平要求的不斷提高，手持終端的功耗也在不斷增高。與之相矛盾的是，手持終端的尺寸卻在不斷縮小，工作時(shí)間也在不斷延長(zhǎng)，使嵌入式手持終端電源系統(tǒng)管理面臨越來(lái)越大的壓力。如何設(shè)計(jì)出性能穩(wěn)定、功耗低的電源管理系統(tǒng)已經(jīng)成為嵌入式手持終端設(shè)備開發(fā)的難點(diǎn)之一。本文重點(diǎn)介紹基于微處理器S3C2440A的手持終端電源管理系統(tǒng)。
1 供電需求
手持終端的CPU采用三星公司的ARM920T內(nèi)核處理器S3C2440A。S3C2440A是專門為各類手持終端而設(shè)計(jì)的高性能嵌入式微處理器，主頻可達(dá)400 MHz，具有外圍接口豐富、體積小、功耗低等特點(diǎn)。
S3C2440A有4種工作模式：正常模式、慢模式、空閑模式、睡眠模式。4種模式之間可以相互轉(zhuǎn)換，區(qū)別主要在于處理器工作頻率、工作電壓和設(shè)備組合的不同。本設(shè)計(jì)中主要針對(duì)正常模式和睡眠模式采用不同的電源管理策略。
1．1 正常模式下供電需求
在正常模式下，CPU以及外圍部件都需要供電。外圍部件主要包括Flash、SDRAM、GPRS、GPS、無(wú)線模塊、LCD、觸摸屏等部分。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
CPU電壓分為2組：核心電壓為1．2 V；I／O引腳電壓為3．3 V。USB和GPS供電電壓為5 V。LCD的供電電路比較復(fù)雜，需要專用的驅(qū)動(dòng)芯片為其供電。由于現(xiàn)在幾乎所有的手持終端都是彩屏，作為調(diào)節(jié)LCD背光亮度的LED也需專門的驅(qū)動(dòng)電路。其余部分(如GPRS、無(wú)線模塊、音頻等)都為3．3 V。
1．2 休眠模式下供電需求
CPU 90％以上的時(shí)間處于休眠模式，休眠狀態(tài)下電源管理的好壞對(duì)于手持終端工作時(shí)間的長(zhǎng)短起著決定性作用。圖2是手持終端在休眠模式下供電需求。
休眠模式下，外部需要通過VDDalive端口為CPU內(nèi)部能量控制模塊提供1．2 v／1．3 V電壓，為存儲(chǔ)器接口電源VDDMOP、ADC端口電源VDD_ADC、I／O端口電源VDDOP提供3．3 V電壓。實(shí)時(shí)時(shí)鐘需要在休眠模式和系統(tǒng)關(guān)機(jī)時(shí)依然對(duì)其供電。PWREN為控制信號(hào)，在CPU進(jìn)入睡眠后，PWREN為低電平，可通過此引腳關(guān)閉睡眠模式下不使用的模塊。
2 電源管理策略
2．1 正常模式下電源管理策略
正常模式下的電源管理主要是通過控制外設(shè)控制器的開關(guān)來(lái)達(dá)到節(jié)約能量的目的。S3C2440A外設(shè)接口控制器豐富，但這些控制器不一定同時(shí)都用到。通過設(shè)置寄存器可以有選擇地關(guān)閉不需要的功能模塊，盡量將不使用的控制器關(guān)閉，盡可能節(jié)省功耗。因?yàn)槿绻粚⑵潢P(guān)閉，即使它們沒有處于工作狀態(tài)，仍然會(huì)消耗電流。
2．2 休眠模式下電源管理策略
休眠模式下，主要采用Time-out策略，如圖3所示。系統(tǒng)完成所有任務(wù)后，如果持續(xù)時(shí)間超過某一閾值(該時(shí)間間隔可由系統(tǒng)提供的計(jì)時(shí)模塊設(shè)定)，電源管理模塊將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至休眠狀態(tài)，直到有新任務(wù)請(qǐng)求到達(dá)時(shí)再喚醒系統(tǒng)，則執(zhí)行任務(wù)。通過這種方式達(dá)到降低系統(tǒng)設(shè)備功耗的目的。
3 電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1 硬件設(shè)計(jì)
嵌入式手持終端電源管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)必須同時(shí)滿足CPU正常模式和休眠模式的供電需求。
3．1．1 休眠模式下供電電路
休眠模式下供電電路如圖4所示。電池的電源經(jīng)過Buck變換器后，輸出3．3 V供給I／O、VDDalive等端口；3．3 V經(jīng)過LDO變換器輸出1．2 V，為休眠時(shí)CPU內(nèi)部能量管理模塊供電。電池電壓經(jīng)過LDO變換器輸出3．3 V，直接給實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC供電，只要手持終端電池電壓大于3．3 V，系統(tǒng)RTC就會(huì)工作。使用LDO變換器為RTC供電是因?yàn)檩斎?、輸出電壓差別不大，效率較高。但是，CPU的1．2 V電壓通過Buck變換器和LDO變換器得到，LDO的效率雖然不到50％，但比Buck變換器高。
3．1．2 正常模式下供電電路
正常模式下供電電路如圖5所示。從圖中可看出，電路共包括3個(gè)子模塊：電池管理、電壓管理和負(fù)載管理。
電池管理：主要由鋰離子充電電路和充電監(jiān)控電路組成。外接直流電源通過充電電路為鋰離子充電電池充電，充電完畢后充電電路自動(dòng)關(guān)閉充電。
評(píng)論