1 引言
早期嵌入式便攜設(shè)備由于結(jié)構(gòu)簡單，往往只采用一兩種電源管理器件即可滿足供電需求。但是隨著嵌入式處理器功能不斷增強，便攜設(shè)備的電源管理系統(tǒng)設(shè)計面對尺寸和成本的全新挑戰(zhàn)。因此，采用傳統(tǒng)的單一功能電源管理器件已無法滿足需求，因此。采用專門集成電源管理單元(PMU)設(shè)計電源系統(tǒng)已是大勢所趨。這里給出了一種基于LP3913的便攜式設(shè)備電源管理系統(tǒng)設(shè)計方案。
2 LP3913簡介
LP3913是美國國家半導(dǎo)體公司推出的一款功能強大的PMU，專門針對嵌入式便攜設(shè)備應(yīng)用，其主要特點為：2路線性電源(LDO)輸出和3路DC—DC Buck變換器輸出，每路輸出電壓可動態(tài)調(diào)節(jié)；開關(guān)機檢測和控制功能；USB／AC外部電源輸入管理，可在外部供電狀態(tài)和鋰離子供電狀態(tài)之間自動切換；鋰離子電池充電管理和電池過熱保護功能；內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換器，可測量電池電壓、電流以及外部A／D轉(zhuǎn)換器輸入通道：I2C接口便于處理器設(shè)置、讀取內(nèi)部功能狀態(tài)參數(shù)；內(nèi)部中斷管理器，能夠通過中斷引腳IRQB向處理器及時報告各種電源事件；采用48引腳LLP封裝。
圖1為LP3913的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在LP3913的5個輸出通道中，LD0最大輸出電流150 mA，用于處理器睡眠時的常供電壓以及對供電電壓紋波水平要求較高的模擬器件供電：Buck變換器最大輸出電流1 000 mA，用于處理器內(nèi)核供電以及其他負(fù)載較大的數(shù)字器件供電，同時Buckl通道還帶外部使能端，能夠獨立通斷。各輸出通道的電壓特性如表1所示。
3 系統(tǒng)設(shè)計
該系統(tǒng)設(shè)計手持式GPS導(dǎo)航設(shè)備，主處理器采用三星的S3C2440A。它是基于ARM920T內(nèi)核，最大主頻為400MHz；內(nèi)核電壓(Vcore)為1．2 V，I／O電壓(VDDIO)為3．3 V，常供電壓(Valive)為1．2 V；處理器在休眠模式下需關(guān)閉Vcore電壓，并通過CPU_PWREN引腳輸出低電平來控制；同時S3C2440A還支持用于節(jié)能的動態(tài)電壓縮放(DVS)特性，能夠根據(jù)不同工作狀態(tài)動態(tài)調(diào)整工作頻率，并且根據(jù)頻率調(diào)整內(nèi)核工作電壓，最大程度減少電源消耗。除此之外，音頻功放等模擬電路需要紋波較小的3.3 V供電，外置SD卡由于熱拔插特性需要單獨供電。整個設(shè)備采用鋰電池供電，同時通過USB接口交換數(shù)據(jù)和充電，系統(tǒng)需要定期測量電池電壓并且換算剩余電量。
3．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
整個系統(tǒng)接口電路如圖2所示，設(shè)計方案中LP3913的LD01為處理器的Valive提供1.2 V電壓，Buckl用于處理器的內(nèi)核電壓(Vcore)；當(dāng)處理器進入休眠狀態(tài)，S3C2440A的CPU_PWREN引腳輸出低電平關(guān)閉Buckl輸出。當(dāng)處理器需要DVS節(jié)能處理時，系統(tǒng)軟件通過I2C接口動態(tài)調(diào)節(jié)Buckl輸出電壓。此外，Buck2通道為處理器的I／O和其他數(shù)字器件提供3．3 V電壓，LD02輸出3．3 V用于音頻模擬電壓輸入，Buck3輸出單獨用于SD卡的熱拔插供電。
USB電源的輸入通過一個肖特基二極管MBRMll0ETlG (反向電壓lO V、最大電流1 A)和LP3913的USBPWR、VDD等引腳相接，這樣可以防止外部電源拔出后鋰電池產(chǎn)生的主電源輸出灌入到USB接口。此外，LP3913的TS引腳與電池內(nèi)熱電偶相連，檢測電池溫度，無需該功能時則通過一只100 kΩ下拉電阻以防止LP3913誤認(rèn)為溫度超標(biāo)而切斷電池充電功能。
為了增加供電電流，LP3913主電源輸入VDD和VIN引腳是外置的；為了提高電源的利用效率，布板時需將LP3913的VDD和VIN電源連接線盡量加粗，同時Buck變換器所使用的電感也要盡量靠近LP3913的VBUCK引腳。
在無外部供電(USB／AC)輸入情況下，LP3913將鋰電池作為主電源輸入，并將電池電壓連接到VDDl～VDD2、VINl～V14等引腳作為LD0和BUCK變換器的輸入。當(dāng)插人外部USB／AC電源后，LP3913將把主電源輸入自動切換為USB／AC，并對鋰電池充電；充電狀態(tài)通過CHG和STAT引腳指示。
LP3913具有強大的電源事件管理功能。LP3913內(nèi)部設(shè)有專門的8位中斷請求寄存器IRQ(0dNH)和中斷掩碼寄存器IMR(0cH)，能夠區(qū)分8種不同電源事件。每當(dāng)有相應(yīng)的電源事件發(fā)生時，IRQB引腳將輸出低電平，處理器檢測到該中斷信號后通過I2C總線讀取IRQ寄存器的值即可判斷相應(yīng)的電源事件并作出相應(yīng)處理。LP3913的中斷處理原理如圖3所示。
3．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
與電源相關(guān)部分的軟件主要有開關(guān)機流程和電源事件中斷處理兩部分。在缺省狀態(tài)下，LP3913的ONOFF引腳由內(nèi)部下拉至低電平．系統(tǒng)處于關(guān)機休眠狀態(tài)。當(dāng)ON／OFF引腳輸出大于32 ms寬度的脈沖，ONSTAT引腳將ON／OFF引腳狀態(tài)輸出到處理器的GPIO引腳上，并按順序先后接通2路LDO和3路BUCK輸出，同時通過NRST引腳輸出寬度60 ms的低電平脈沖到處理器的RESET引腳，防止處理器在電源不穩(wěn)定情況下啟動。處理器啟動后，通過軟件設(shè)置相應(yīng)的GPIO輸出高電平到LP3913的POWERACK引腳以保持電源選通。如果處理器在電源接通132 ms內(nèi)沒有將POWERACK置高，則LP3913將重新切斷LDO和BUCK的輸出。在系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下，如果ON／OFF引腳上出現(xiàn)高電平脈沖，LP3913會通過ONSTAT引腳將其送至處理器的中斷引腳，軟件檢測到該信號后啟動關(guān)機程序，最后將POWERACK引腳置低關(guān)閉LP3913的供電輸出。根據(jù)此過程設(shè)計的開關(guān)機程序流程如圖4所示。
電源事件中斷處理主要是根據(jù)LP3913的IRQB引腳返回的中斷信號讀取中斷寄存器，并判斷中斷事件然后做出相應(yīng)的處理。中斷處理部分的偽代碼如下所示：
4 結(jié)語
介紹了多功能電源管理單元器件LP3913的基本原理及其在便攜設(shè)備電源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用。該系統(tǒng)設(shè)計采用USB外接電源和鋰離子電池供電，整個電路結(jié)構(gòu)緊湊，功能完善。