手持设备的电源系统设计
2008-04-11
作者：杜 旭，肖华维，徐 晶
摘 要： 研究了当前手持设备" title="手持设备">手持设备中电源系统" title="电源系统">电源系统设计的常用设计方案，分析了它们的优缺点，在此基础上提出了一种优化设计方案，并结合一个具体手持设备的电源系统需求给出了实现方案。
关键词： 电源系统 动态电源管理" title="电源管理">电源管理 CPLD
随着手持设备的普及，基于手持设备的应用越来越广泛，用户对其性能也提出了更高的要求。由于手持设备需要具有很强的便携性，因此通常采用体积较小的锂电池供电。锂电池容量有限，如何尽量延长系统的正常运行时间成为手持设备研究领域的一个主要方向[1][2][3][4]。作为其核心技术——电源系统的设计是整个系统设计的关键。另一方面，电源系统的合理性，将会直接影响到整个系统架构、产品特性组合、芯片选型、软件的设计以及功率分配等。
目前手持设备中的电源系统有采用分布式的设计方案，也有采用集中式的设计方案。
分布式设计方案，就是利用许多功能独立的电源转换芯片搭建整个电源系统。这种方案实现起来较为灵活，但集成度不高，通常需要复杂的外围器件配合才能支撑系统的正常工作，此类电源系统很少提供管理控制接口，因此电源管理实现难度较大。
集中式设计方案正好相反，该方案一般采用单芯片设计思路，芯片集成了多路线性稳压器和开关电源，且多采用简单的串行通信接口，如I2C[5]、SPI等，来对每一路电源进行控制，适合于个人数字助理等功能相对简单通用的设备。集中式电源系统的优点是集成度高，外围器件少，能够满足产品尺寸要求小的设计。但是，这种方案对芯片的依赖性很强，且灵活性不大，不具有通用性。
1 设计思想
为了设计出可靠的、低功耗的和具有一定通用性的电源系统，本文在深入研究上述两种电源系统设计" title="电源系统设计">电源系统设计方案的基础上，对比分析了两者的优缺点，提出了一种综合性设计方案，通过小容量的可编程逻辑器件的应用来控制各个模块的行为，从而对电源系统设计进行优化。
(1)对系统的电源需求进行分析，按照功能的不同分别采用分布式供电和集中式供电。
(2)使用可编程逻辑器件来控制各电路电源的打开、关闭和模式选择，为电源管理提供统一的硬件接口。设计方案的基本结构如图1所示。
一般而言，手持设备中的电源系统通常可以划分为核心电源、LCD电源、充电电路" title="充电电路">充电电路、外围接口与模块部分。
核心电源，即最小系统所需要的电源，主要由CPU核心电源、CPU的IO电源、存储器的电源和总线驱动电源组成。CPU核心电源一般要求在1～2V之间，所以一般采用高效率的降压式开关电源供电。剩下的部分一般都需要3.3V的电源，所以可采用统一供电方式，即使用一片高效率、低功耗的降压式开关电源来供电，或者使用低压差线性稳压电源来供电。对该部分电源模块的控制可使用CPU和CPLD来完成。
LCD是目前手持设备中非常常见的配置，对于LCD的驱动通常需要多路正负电压供电，同时配合以背光电源，所以LCD电源模块的设计相对来说是比较独立的。当前，很多公司都针对LCD电源模块，设计出了单芯片解决方法，可以同时供给LCD所需要的各种电源，所以选用集成了多路电源的芯片来实现。对该部分电源模块的控制可以使用CPLD来完成，背光亮度的调节一般使用脉宽调制信号，通过改变信号的占空比来调节背光亮度。
锂电池能量高、储存能量密度大、充电速度较快、漏电量极少，且没有“记忆效应”。所以，目前它的应用非常广泛。锂电池在充电过程中，电池的电压和充电电流都会随充电时间而发生变化，所以设计充电电路时要考虑到它的特性。目前已经有很多智能化的充电芯片可以满足系统的要求，充电指示信号可以经过CPLD处理后作为CPU的一个中断源，从而监控充电电路的状态。
因为功能之间的差异，外围接口与模块部分的电源供给的需求也往往不同，所以此部分电源模块一般采用分布式解决方法。如SD卡接口，可采用价格相对便宜的低压差的线性稳压器来供电；而USB Host接口，则需要采用高效率的开关电源来供电。所有外围接口和模块电源的控制均采用CPLD来完成。
综上所述，该方案充分利用了分布式方案和集成式方案的优点，利用可编程逻辑器件的可编程控制的特点，可以对各部分电路的控制和状态的查询进行优化。同时，简化了电源管理软件的实现，包括处理器的动态电源管理和其他外部设备的管理等，能够满足各种不同的应用场合，且具有一定的可扩展性。
2 具体实现
本文结合一个手持设备的具体需求，给出一种采用综合性电源设计方案的实例。
2.1 手持设备的硬件结构
该设备采用Intel Xscale PXA255作为CPU，主频为400MHz。整个系统通过CPLD实现逻辑控制。设备同时提供了TFT LCD、触摸屏、SD接口、SDRAM、FLASH、CF接口等。设备的硬件框图如图2所示。
2.2 电源系统的架构
该手持设备采用3.6V～4.2V锂电池供电，电池容量为1900mAh。整个电源系统的架构如图3所示。
2.2.1 最小系统的电源电路
开机和关机电路中采用的是74LVC74芯片，该芯片是一个双D触发器，按下开关按键，将会在芯片输出引脚上产生一个电平变化，74LVC74的输出控制TPS2013，从而打开或关闭电源。TPS2013是一个低内阻电源功率分发芯片，它将VCC_BATT分发到SYS_PWR，电压范围为3.6～4.2V，它的后级将接一个高效率低压差的线性稳压芯片，即MAX1793。MAX1793将SYS_PWR转换为3.3V电压，给PXA255，CPLD，SDRAM和FLASH，以及总线驱动部分供电。VCC_3P3V作用在MAX5360上产生一个参考电压给MAX1820。MAX1820根据提供的参考电压，产生PXA255所需要的核心电压VCC_CORE和锁相环供电电压。复位电路采用的核心芯片是美信公司MAX6342，当VCC_3P3V电压上升到3.08V的时候，该芯片会产生一个低电平的复位信号给PXA255，该信号经过约180ms后变成高电平，CPU就会从FLASH的0地址执行引导程序。MAX6342带有一个手动复位引脚，可以实现手动复位功能。
CC_CORE，即CPU核心电压是系统中最复杂的供电部分。通过I2C总线，它的电压能够被控制在0.8～1.7V。此外，动态电源管理DVM（Dynamitic Voltage Management）需要一个特定的时序。系统电路板上有两个DAC芯片(MAX5360A和MAX5360B），通过I2C总线控制它们的输出电压。使用一个模拟开关MAX4544来选择一路MAX5360输出作为MAX1820的参考电压。模拟开关由复杂可编程逻辑器件(CPLD)来控制。因此，通过I2C总线可以控制VCC_CORE的电压。系统上电后，VCC_CORE的电压值被设定成1.46V。
2.2.2 LCD电源电路
系统使用了SHARP公司的3.5寸TFT LCD，型号是LQ035Q7DD01。该LCD一共需要五种电压，分别为：+5V，+15V，-10V，以及背光LED的正、负电源。经过相关资料收集和分析后，系统采用了MAX1779来产生LCD需要的+5V，+15V和-10V电源；采用LTC3465A来产生LCD背光LED所需的正、负电源。背光亮度控制由PWM信号提供，该信号为PXA255的输出，经过CPLD后，输出给LTC3465A，通过设置CPLD和PXA255中的寄存器达到关闭与打开背光目的，同时也可以调节背光的亮度。
2.2.3 锂电池充电电路
目前很多手持设备都把充电电路直接嵌入到系统内部，如何将这一部分应用做到功耗更低体积更小，一直是手持设备制造商们追求的目标。本系统提供了两种充电接口，一种是墙式的9V充电接口，另外一种是USB充电接口。两种接口之间通过二极管隔离，避免产生干扰。充电芯片选用了凌特公司的LTC1730。该芯片是凌特公司新一代脉冲式电池充电控制器，它散热量少、器件体积小，而且只需很少的外围元件，因此非常适合于嵌入到手持设备的内部。它在快速充电模式下，通过内部功率FET导通使输入电压下降，使外部稳压器进入限流状态，从而降低了器件本身的功耗；当电池充电到接近预定电压时，内部FET又会转入脉冲工作方式，直到可编程定时器计时终止。电池充满以后，充电控制器的一个管脚还会发出指示信号驱动LED显示以提醒用户。该器件的输出电压可通过引脚选择4.1V或4.2V，误差不超过1%。在没有充电时，它会自动进入睡眠模式，电流消耗低于1μA。充电指示信号经过CPLD预处理后作为CPU的一个中断源，从而监控充电电路的状态。
2.2.4 其他电源电路
目前手持设备中常用的外围接口或模块主要有USB Host、USB Client、SD、CF、IRDA，其中，USB Host需要5V供电，USB Client由PC供电，SD卡需要3.3V供电，CF既有5V供电的，也有3.3V供电的，IRDA一般采用3.3V供电。本系统中采用升压式开关电源芯片MAX1703将电池电压转换为USB Host需要的5V电压，使用CPLD来控制MAX1703的打开和关闭。SD卡、IRDA均采用线性稳压电源MIC5219来供电。采用MAX1793来得到CF接口卡需要的3.3V电源。
本文所提出的综合式电源设计方案提供了简单的电源控制接口，为电源管理软件的实现提供了较强的灵活性。结合电源管理软件，可以实现电源系统的各种模式切换。通过在上述手持设备的方案实现与测试，设备待机时间可达到48小时，持续工作时间超过24小时，说明该电源系统具有较高的可靠性和抗干扰能力。同时，该设计方案有一定的通用性，对其他手持设备中的电源系统设计有一定的参考价值。
参考文献
1 杨雪金.一种减少嵌入式处理器功耗的综合DVS方式.计算机工程与应用，2005；(14)
2 王 荣.一个嵌入式系统动态电源管理方案.计算机工程， 2004；(30)12
3 唐志芳.系统级动态电源管理算法的研究.计算机工程与应用，2005；(6)
4 李林功.嵌入式系统的低功耗设计.计算机应用研究，2005；(2)
5 Philips Semiconductors.The I2C-BUS Specification Version 2.1.2000