為便攜式設(shè)計選擇最佳的電源管理接口

2004年5月B版

　　便攜式系統(tǒng)的設(shè)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(tǒng)能連續(xù)工作一天以上而無需重新充電。為了讓用戶滿意，設(shè)計者必須集成系統(tǒng)電源管理元件，這些元件將添加更高的智能和系統(tǒng)通信，以改善總的效率并延長系統(tǒng)運行時間。

　　對便攜式系統(tǒng)的設(shè)計者來說，上述問題就意味著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(shè)計中，而不至于增加電路板的復(fù)雜性。為了實現(xiàn)這一目標，他們必須限制電源管理器件所用的引腳數(shù)，同時擴展其產(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(shè)計者可以增強其產(chǎn)品的功能，同時還滿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種基本的接口類型中選出一種。從硬件和軟件的角度看，最簡單的辦法就是并行總線。這種接口由獨立的并行控制線構(gòu)成，其最簡化的和典型的形式是為每個電源元件的使能端提供一根GPIO線。

　　雖然并行總線非常有效，但在可擴展性方面存在一定的限制。首要的一點是，在所有的接口選擇中，它需要占用的微控制器和外設(shè)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，這在空間狹窄的便攜式應(yīng)用中是一個要著重考慮的因素。

　　最后一點，很多便攜式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計，如開合式手機和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。但要在柔性PCB上完成大量的走線，會讓成本大為增加，且對系統(tǒng)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來控制電源管理功能。普遍采用的串行接口，如I2C總線和SMBus，多年以來就已經(jīng)廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)計，它們得到種類繁多的、經(jīng)過驗證的硬件和軟件的支持。很多筆記本電腦和PDA的設(shè)計者采用串行方法 ，因為這些流行的串行架構(gòu)只需一條總線就可以支持多種從設(shè)備，簡化了到多個外設(shè)的通信問題。

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

單線接口

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

　　Advanced AnalogicTechnologies公司的S2Cwire單線總線對定時要求大為放寬。微控制器的運行可快可慢，而從設(shè)備無需本地時鐘或者精密的主時鐘。從而使得硬件和軟件的實現(xiàn)更為簡單。為了讓電源管理功能具有更高的智能度，S2Cwire架構(gòu)通過對時鐘沿的計數(shù)來運行。這種方法增加一個計數(shù)器，它通過裝在從器件中的ROM實現(xiàn)各種編程功能，S2Cwire并不提供I2C方法所具有的尋址和數(shù)據(jù)回讀等功能。但在機內(nèi)不帶I2C的便攜式系統(tǒng)(如手機、PDA和數(shù)碼像機)應(yīng)用方面，它為大批量的消費產(chǎn)品提供很高的集成化。

　　單線接口在電源管理應(yīng)用方面具有獨特的優(yōu)勢。例如，設(shè)計者可以利用白光LED來對彩色TFT LCD進行背光照明，傳統(tǒng)上，他們通過來自系統(tǒng)微控制器的I/O線對為白光LED供電的電荷泵或者DC/DC 升壓變換器進行控制，控制信號是加到電源芯片的使能端的脈沖調(diào)寬(PWM)信號。LED的亮度一般通過改變占空比來進行控制，讓變換器開啟或關(guān)閉。采用單線式接口后，設(shè)計者就可以省去PWM控制信號而提供可編程的對數(shù)亮度設(shè)置。這種方法不僅在設(shè)計上更為簡單，而且與傳統(tǒng)的基于PWM的硬件結(jié)構(gòu)相比，它還可以通過軟件對范圍更寬的亮度級實現(xiàn)更好的控制。

　　單線接口也開創(chuàng)了嶄新的電源管理方法。在便攜式設(shè)備市場上，設(shè)計目標是縮小占用面積和高效率。不過，由于在便攜式設(shè)備中不斷引入的新功能，仍然以GPIO線作為其控制的首選方法。在越來越多的情況下，便攜式系統(tǒng)的設(shè)計者無法獲得實現(xiàn)這些新功能所需的GPIO資源。

　　舉例來說，將一個單線接口與多個獨立的負載開關(guān)組合起來，則一組I/O擴展器負載開關(guān)可以讓系統(tǒng)設(shè)計者使用最少工作量和成本即能擴展便攜式系統(tǒng)的I/O功能。設(shè)計者不必使用分立的MOSFET和幾根控制線來管理每項功能，而是能夠通過一根控制線來控制5種功能。這樣就制成一種尺寸為2mm