電源管理芯片的低功耗OMAP系統(tǒng)設計方案

電源管理芯片的低功耗OMAP系統(tǒng)設計方案

　　半導體設計和制作工藝技術的不斷提高，使電路板上的器件運行速度更快、體積更小。供電系統(tǒng)要求更多種類的電壓、更低的供電電壓和更大的供電電流。電源設計不再僅僅局限于提供電流、電壓和監(jiān)控溫度，還必須診斷電源供應情況、靈活設定每個輸出電壓參數。普通的模擬解決方案難以滿足這些需求。數字電源的目標就是將電源轉換與電源管理用數字方法集成到單個芯片中，實現(xiàn)電源轉換、控制和通信。

　　數字電源實現(xiàn)了數字和模擬技術的融合，具有很強的適應性和靈活性，具備直接監(jiān)視、處理及適應系統(tǒng)條件的能力。數字電源還可通過遠程診斷確保持續(xù)的系統(tǒng)可靠性，實現(xiàn)故障管理、過壓過流保護、自動冗余等功能。但是數字電源不比傳統(tǒng)的模擬電源效率更高，而且成本一般較高。目前數字電源需要大濾波器，這使其工作效率比模擬電源低。

　　本文介紹一種在嵌入式數字信號處理器（DSP）OMAP5912上使用簡單的數字電源實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗設計的方法。使用TI公司的電源轉換和電壓監(jiān)控芯片TPS65010實現(xiàn)對DSP系統(tǒng)各種狀態(tài)的檢測。在不同狀態(tài)下輸出不同的供電電壓，減小供電電流，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的低功耗運行。該設計方法適用于各種低功耗要求的手持電子設備。

1? TPS65010和OMAP5912

　　TPS65010是TI公司推出的一款針對鋰離子供電系統(tǒng)的電源和電池管理芯片。TPS65010集成了2個開關電源轉換器Vmain和Vcore、2個低壓差電源轉換器LDO1和 LDO2以及1個單體鋰離子電池充電器，非常適合手持電子設備的應用要求。當12 V直流電源適配器接通時，芯片無需開關電路。在實際使用中，Vmain可以提供2.5～3.3 V電壓，Vcore可以提供0.8～1.6 V電壓，LDO1和LDO2可以提供1.8～6.5 V電壓。各個不同電壓下的電流一般可以達到400 mA，滿足大部分手持設備的需求?？梢酝ㄟ^I2C總線對TPS65010的各種寄存器進行設置，也可以通過通用的引腳將重要的信息通知TPS65010，例如可以通過LOW_POWER引腳使TPS65010輸出低功耗模式下的工作電壓。

　　OMAP5912是TI公司推出的嵌入式DSP，具有雙處理器結構，片內集成ARM 和C55系列DSP 處理器。TI925T處理器基于ARM9核，用于控制外圍設備。DSP基于TMS320C55X核，用于數據和信號處理，提供1個40位和1個16位的算術邏輯單元（ALU）。由于DSP采用了雙ALU結構，大部分指令可以并行運行，工作頻率達到150 MHz，并且功耗更低。C55和ARM可以聯(lián)合仿真，也可以單獨仿真。

　　OMAP5912內部專門配置了超低功率設備（Ultra Low Power Device，ULPD）。ULPD模塊內部結構如圖1所示。

圖1? ULPD模塊內部結構

　　從圖1可以看出，ULPD模塊主要由復位管理器、FIQ管理器以及睡眠模式狀態(tài)機組成。片內ULPD和OMAP5912芯片內部的復位產生模塊以及芯片IDLE和喚醒狀態(tài)控制器相連接。片外ULPD的復位管理器負責檢測上電復位和手動復位，并將片內的復位信號輸出；FIQ管理器專門用于檢測電池電壓，一旦出現(xiàn)電池電壓低于或高于系統(tǒng)要求，或者電池電源質量不高（紋波較大、過沖較大、瞬間脈沖較大）等，F(xiàn)IQ管理器將中斷系統(tǒng)工作；睡眠模式狀態(tài)機負責檢測和輸出不同的工作方式，在不同的工作方式下將提供不同的電壓和電流，從而降低系統(tǒng)功耗。共有3種睡眠模式：正常工作模式、Big Sleep模式和Deep Sleep模式。

2? 系統(tǒng)硬件結構

　　較完整的手持設備系統(tǒng)主要由OMAP5912、TPS65010、AD/DA、LCD、SDRAM、人機接口以及Flash組成。其硬件連接如圖2所示。圖中，DSP是核心控制單元；AD用于采集模擬信號，并將其轉變成數字信號；DA將數字信號轉換成模擬信號；人機接口主要包括鍵盤接口。Flash保存DSP所需的程序，供DSP上電調用。此外，使用DSP的HPI接口連接到PC機。

圖2? 系統(tǒng)硬件結構總框圖

3? TPS65010和OMAP5912的硬件設計

圖3? TPS65010和OMAP5912的連接

　　TPS65010和OMAP5912的連接是實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗設計的關鍵，具體硬件連接如圖3所示。TPS65010可以提供OMAP5912所需的各種電壓，但是核心運算單元需要的CVDDA以及重要外設需要的DVDD4由TPS76201從Vmain電壓轉換得到。具體的TPS76201的硬件連接如圖4所示。TPS76201將Vmain的3.3 V電壓轉換成1.6 V提供給OMAP，只要Vmain的電壓不低于1.8 V，TPS76201都將穩(wěn)定地輸出1.6 V電壓，以確保OMAP在任何情況下，即使是深度睡眠狀態(tài)，核心運算單元和重要的外設都有穩(wěn)定的電源保證。注意，如果不要求OMAP系統(tǒng)的低功耗設計，CVDDA和DVDD4可以直接連接到Vcore。

圖4? TPS76201的硬件連接

　　TPS65010的Vcore輸出1.6 V電壓提供給OMAP的其他核，這些核電壓在低功耗狀態(tài)下均可以降低到1.1 V。TPS65010的VLDO1和VLDO2輸出2.75 V電壓提供給OMAP的其他外設，這些電壓和常規(guī)的3.3 V存在一定的電壓差，但不影響數據傳輸。一般情況下，高電平只要達到2 V以上就可以了；低功耗狀態(tài)下，VLDO1和VLDO2都降低到1.1 V。使用2個LDO給不同的外設提供電壓，是為了在Big Sleep狀態(tài)下關閉某些外設并同時能夠使能其他外設。如果不進行低功耗設計，可以使用同一個LDO提供電壓。

　　TPS65010的I2C總線連接到OMAP，便于OMAP對TPS65010的寄存器進行設置。TPS65010的RESPWRON引腳連接到OMAP的Power_Reset引腳，上電復位后由TPS65010復位OMAP；TPS65010的LOW_PWR引腳連接到OMAP的LOW_PWR引腳，OMAP進入低功耗狀態(tài)由該引腳通知TPS65010，TPS65010將設定的各種電壓降低，從而降低系統(tǒng)功耗。

4? OMAP5912的低功耗軟件設計

　　OMAP5912有3種工作模式，分別為正常工作模式、Big Sleep模式和Deep Sleep模式。正常工作模式下，使能所有的內部時鐘和外部時鐘以及引腳，此時系統(tǒng)功耗最大，TPS65010也按照正常工作方式供電。低功耗模式下，隨時判斷是否有芯片IDLE請求，如果有則進入Big Sleep模式。在Big Sleep模式下，進一步判斷是否有外部時鐘請求，并根據情況進入Deep Sleep模式。

　　在系統(tǒng)正常工作方式下，如果不需要進行低功耗設計，以上軟件無需加入到應用程序中。進行低功耗設計時，就需要對OMAP的各種工作狀態(tài)進行判斷，要在應用程序中加入LOW_PWR信號使能、關閉DSP核、激活并設置喚醒事件、關閉ARM核、激活并設置深度睡眠等軟件代碼。5總結本文詳細介紹了基于TPS65010和OMAP5912的低功耗系統(tǒng)設計。使用TPS65010的多個電源輸出引腳給OMAP的不同單元供電， 以便在OMAP的不同工作模式下改變電壓輸出，降低系統(tǒng)功耗。OMAP根據自身的軟件運行情況，隨時調整工作模式，并通知TPS65010，使得軟件和硬件在低功耗設計上得到互通。該設計方法適用于各種對功耗要求較高的電子設備。