基于低電壓/低功耗可編程片上系統(tǒng)的電源管理方案

為什么要關(guān)心電源管理？

由于多種因素，電源管理正變得非常重要。對(duì)于移動(dòng)手持嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，總是存在著在增加電池壽命的同時(shí)要提供更多功能的壓力。當(dāng)電池本身無(wú)法提高卻需要達(dá)到此要求時(shí)，提供更低功耗更好性能的芯片的壓力就落在了芯片供應(yīng)商的身上。同時(shí)為了滿足縮短設(shè)計(jì)周期加速上市的要求，就需要提供更低功耗的靈活的可編程的器件。而且，綠色運(yùn)動(dòng)要求減少電池廢品，這個(gè)要求對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)就轉(zhuǎn)化為要進(jìn)行更少的電池更換。同樣，全球的政府法規(guī)（例如：能源之星）也要求減小電器設(shè)備中的待機(jī)電流。下一代嵌入式系統(tǒng)將需要在工作和睡眠模式下都具有極端低的功耗，而且為滿足上市時(shí)間要求所必需的靈活性和可編程性也同時(shí)需要得到提高。

除了更小的電流消耗之外，這里同樣也需要更低的系統(tǒng)電壓。幾年前，最小標(biāo)準(zhǔn)工作電壓是3.3伏特。目前，最小標(biāo)準(zhǔn)工作電壓是1.8伏特。將這一趨勢(shì)圖表化后，未來(lái)器件的最小標(biāo)準(zhǔn)工作電壓趨勢(shì)會(huì)延伸至亞伏特范圍，這將會(huì)成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)。這使得用一個(gè)單節(jié)的AA或AAA電池來(lái)構(gòu)造基于SoC的設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)（電池的電壓壽命大約終止于0.9伏特）。盡管目前一些基于SoC的設(shè)計(jì)能在1.8伏特下運(yùn)行，但是更經(jīng)常的是其模擬性能會(huì)在這樣低的電壓下降低。對(duì)于要求良好模擬性能的手持電池供電設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，能夠在低于1伏特下運(yùn)行且依舊滿足模擬性能要求，可以可以使用一個(gè)單節(jié)的AA或AAA電池供電。這個(gè)對(duì)于客戶來(lái)說(shuō)就是可以需要更少的電池從而降低成本。

如何實(shí)現(xiàn)亞伏特的運(yùn)行？

當(dāng)嵌入式SoC器件有一個(gè)內(nèi)置的升壓轉(zhuǎn)換器，這個(gè)內(nèi)置的升壓轉(zhuǎn)換器可以將輸入電壓（如0.9伏特輸入電壓）升至一個(gè)更高的系統(tǒng)電壓級(jí)（如3.3伏特），這時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)亞伏特運(yùn)行。在此模式下，重要的是來(lái)自升壓轉(zhuǎn)換器的噪聲不會(huì)影響模擬外圍設(shè)備的性能。圖1顯示了一個(gè)集成的升壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)級(jí)的連接情況，這個(gè)集成的升壓轉(zhuǎn)換器是來(lái)自賽普拉斯半導(dǎo)體的一個(gè)PSoC 3可編程片上系統(tǒng)芯片的一部分。

圖1一個(gè)外部低電壓升至一個(gè)內(nèi)部更高電壓的系統(tǒng)級(jí)連接情況

具有能夠接受亞伏特輸入電壓的一個(gè)集成升壓轉(zhuǎn)換器有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 能夠通過(guò)一個(gè)單節(jié)AA或AAA電池來(lái)使系統(tǒng)工作

2. 即使使用一個(gè)變化的電源電壓也能夠提供一個(gè)最低保證系統(tǒng)電壓

3. 能夠使用升高的輸出電壓來(lái)運(yùn)行系統(tǒng)中需要更高電壓的其他電路。例如：LCD，傳感器電路等。

寬的電源電壓范圍：

一個(gè)從1.8伏特（0.9伏特即可激活升壓）橫跨至5.5伏特的寬電壓范圍可以給用戶提供最大的靈活性，原因如下：

1. 正如表1所示，對(duì)于最常見(jiàn)的電池來(lái)說(shuō)，能夠從標(biāo)準(zhǔn)電池電壓橫跨至其壽命電壓的終點(diǎn)

2. 兼容3.3伏特和5伏特的傳統(tǒng)系統(tǒng)電壓

3. 5.5伏特的上限為來(lái)自傳統(tǒng)系統(tǒng)的信號(hào)軌至軌的測(cè)量提供了5伏特以上的寬裕度。

通過(guò)在器件內(nèi)部提供內(nèi)置的低壓差線性穩(wěn)壓器能夠提供寬范圍的外部電源電壓，這個(gè)寬范圍的外部電源電壓可以為芯片保持一個(gè)穩(wěn)定的低核心電壓。而且數(shù)字域和模擬域都具有分開(kāi)獨(dú)立的內(nèi)部穩(wěn)壓器可以確保模擬性能不會(huì)受到來(lái)自數(shù)字電源軌噪聲的損害。圖2 顯示了系統(tǒng)級(jí)連接情況和可容納一個(gè)寬電源電壓范圍的內(nèi)部穩(wěn)壓器。

圖2 內(nèi)部穩(wěn)壓器的系統(tǒng)級(jí)連接情況

在圖2中，當(dāng)內(nèi)置的模擬和數(shù)字穩(wěn)壓器能夠確保內(nèi)核依舊運(yùn)行在一個(gè)穩(wěn)定的低電壓下時(shí)，Vddd和Vdda能夠從1.71伏特變化至5.5伏特。如果采取了適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，此系統(tǒng)同樣也可確保在整個(gè)電源電壓范圍內(nèi)都具有相同的模擬性能。

I/O組的獨(dú)立電源

為了允許連接系統(tǒng)中可能具有不同系統(tǒng)電壓的其他器件，一個(gè)SoC需要具有分開(kāi)獨(dú)立的I/O電源，這些I/O電源能夠被獨(dú)立設(shè)置為具有一個(gè)寬電壓范圍內(nèi)的任何電壓。正如圖3所示，一個(gè)具有4個(gè)I/O組的SoC，其中每個(gè)I/O組都能夠被從1.8伏特至5伏特范圍內(nèi)的任何電壓驅(qū)動(dòng)，可以提供與PCB上其他器件的無(wú)縫連接。

圖3 每個(gè)I/O組的獨(dú)立電源電壓可以提供與可能運(yùn)行在不同電壓下器件的無(wú)縫連接

靈活的電源模式

當(dāng)可編程系統(tǒng)低耗電性依舊是個(gè)神話時(shí)，深思熟慮后產(chǎn)生的可編程的SoC已經(jīng)能夠擁有世界一流的電流，可與獨(dú)立的MCU相匹配。牢記最終客戶的應(yīng)用，表2中顯示了合乎需要的電源模式以及它們的電流。

在用戶主動(dòng)使用表1中顯示的工作模式時(shí)，它是系統(tǒng)正常運(yùn)行的模式。一個(gè)可編程的SoC將允許在此模式下選擇性地禁用不需要的外圍設(shè)備。

在交替工作模式下，所選定的較少數(shù)量的外圍設(shè)備會(huì)有效工作。這提供了一個(gè)降低功耗的工作模式，能夠從正常的工作模式進(jìn)入此模式。一旦從此模式中退出，系統(tǒng)就會(huì)返回正常工作模式。對(duì)此可以舉一個(gè)例子，如對(duì)于一個(gè)帶顯示器的嵌入式系統(tǒng)，可以在單獨(dú)關(guān)斷顯示器的電源的同時(shí)，保持嵌入式系統(tǒng)依舊繼續(xù)運(yùn)行。當(dāng)需要關(guān)斷顯示器時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入備用工作模式，其中將關(guān)斷顯示器所需要的外圍設(shè)備的電源。

在電池供電的嵌入式系統(tǒng)中通常會(huì)使用到睡眠模式。這是一個(gè)極端低功耗的模式，其中所有的外圍設(shè)備都處于低功耗狀態(tài)，然而會(huì)保持一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。此模式同樣也用于需要經(jīng)常在工作和睡眠模式之間循環(huán)運(yùn)行的系統(tǒng)中。對(duì)此可以舉一個(gè)例子，如一個(gè)溫度傳感器，它每分鐘都需要更新其讀數(shù)。系統(tǒng)會(huì)在每分鐘被喚醒，讀取數(shù)再返回睡眠模式。其結(jié)果會(huì)降低平均功耗。

休眠是器件的最低功耗模式，此模式下依舊能夠保持存儲(chǔ)器中的內(nèi)容和配置情況。它能夠從一個(gè)I/O源就喚醒器件，這也給用戶或系統(tǒng)中另外的器件提供了喚醒器件的能力。休眠模式同樣也能夠用于消除一個(gè)手持器件中使用電源開(kāi)關(guān)的需要（既然按下任何按鈕都能夠喚醒器件）。

結(jié)論

可編程的片上系統(tǒng)（PSoC）可提供高的集成度，且通過(guò)使用一個(gè)可高效配置和編程的系統(tǒng)可同時(shí)提供給用戶建立起他們自己定制的外圍設(shè)備的能力。精心設(shè)計(jì)的可編程的SoC能夠提供世界一流的電源管理功能，它不僅能夠滿足MCU的電量要求而且同樣也可提供一種可配置的電源管理系統(tǒng)，這種可配置的電源管理系統(tǒng)同樣能夠提供精確的模擬性能。

賽普拉斯半導(dǎo)體的PSoC 3 和PSoC 5系列是現(xiàn)場(chǎng)可編程的嵌入式SoC，它具有可編程的數(shù)字模塊和可配置的模擬模塊。設(shè)計(jì)這些器件能給用戶提供最大可能的靈活性和可編程性，同時(shí)又消耗非常少的睡眠電流和工作電流。它同樣也提供精確的模擬性能（16位至20位的精度）。PSoC Creator是一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境軟件，能夠用于對(duì)PSoC 3 和 PSoC 5系列進(jìn)行從端至端的迅速地開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，這包括器件選擇，給數(shù)字和模擬外圍設(shè)備進(jìn)行配置/編程，配置電源系統(tǒng)，固件開(kāi)發(fā)，調(diào)試和編程的全部過(guò)程。