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基于电源管理芯片的低功耗OMAP系统设计

已有 103 次阅读2019-6-21 16:25

  半导体设计和制作工艺技术的不断提高,使电路板上的器件运行速度更快、体积更小。供电系统要求更多种类的电压、更低的供电电压和更大的供电电流。电源设计不再仅仅局限于提供电流、电压和监控温度,还必须诊断电源供应情况、灵活设定每个输出电压参数。普通的模拟解决方案难以满足这些需求。数字电源的目标就是将电源转换与电源管理用数字方法集成到单个芯片中,实现电源转换、控制和通信。
  数字电源实现了数字和模拟技术的融合,具有很强的适应性和灵活性,具备直接监视、处理及适应系统条件的能力。数字电源还可通过远程诊断确保持续的系统可靠性,实现故障管理、过压过流保护、自动冗余等功能。但是数字电源不比传统的模拟电源效率更高,而且成本一般较高。目前数字电源需要大滤波器,这使其工作效率比模拟电源低。
  本文介绍一种在嵌入式数字信号处理器(DSP)OMAP5912上使用简单的数字电源实现系统低功耗设计的方法。使用TI公司的电源转换和电压监控芯片TPS65010实现对DSP系统各种状态的检测。在不同状态下输出不同的供电电压,减小供电电流,实现整个系统的低功耗运行。该设计方法适用于各种低功耗要求的手持电子设备。
  1 TPS65010和OMAP5912
  TPS65010是TI公司推出的一款针对锂离子供电系统的电源和电池管理芯片。TPS65010集成了2个开关电源转换器Vmain和Vcore、2个低压差电源转换器LD01和LDO2以及1个单体锂离子电池充电器,非常适合手持电子设备的应用要求。当12 V直流电源适配器接通时,芯片无需开关电路。在实际使用中,Vmain可以提供2.5~3.3 V电压,Vcore可以提供O.8~1.6 V电压,LD01和LDO2可以提供1.8~6.5 V电压。各个不同电压下的电流一般可以达到400 mA,满足大部分手持设备的需求。可以通过I2C总线对TPS65010的各种寄存器进行设置,也可以通过通用的引脚将重要的信息通知TPS65010,例如可以通过LOW_POWER引脚使TPS65010输出低功耗模式下的工作电压。
  OMAP5912是TI公司推出的嵌入式DSP,具有双处理器结构,片内集成ARM和C55系列DSP处理器。TI925T处理器基于ARM9核,用于控制外围设备。DSP基于TMS320C55X核,用于数据和信号处理,提供1个40位和1个16位的算术逻辑单元(ALU)。由于DSP采用了双ALU结构,大部分指令可以并行运行,工作频率达到150 MHz,并且功耗更低。C55和ARM可以联合仿真,也可以单独仿真。
  OMAP5912内部专门配置了超低功率设备(Ultra Low Power Device,ULPD)。ULPD模块内部结构如图1所示。
  从图1可以看出,ULPD模块主要由复位管理器、FIQ管理器以及睡眠模式状态机组成。片内ULPD和OMAP5912芯片内部的复位产生模块以及芯片IDLE和唤醒状态控制器相连接。片外ULPD的复位管理器负责检测上电复位和手动复位,并将片内的复位信号输出;FIQ管理器专门用于检测电池电压,一旦出现电池电压低于或高于系统要求,或者电池电源质量不高(纹波较大、过冲较大、瞬间脉冲较大)等,FIQ管理器将中断系统工作;睡眠模式状态机负责检测和输出不同的工作方式,在不同的工作方式下将提供不同的电压和电流,从而降低系统功耗。共有3种睡眠模式:正常工作模式、Big Sleep模式和Deep Sleep模式。
  2 系统硬件结构
  较完整的手持设备系统主要由OMAP5912、TPS6501O、AD/DA、LCD、SDRAM、人机接口以及Flash组成。其硬件连接如图2所示。图中,DSP是核心控制单元;AD用于采集模拟信号,并将其转变成数字信号;DA将数字信号转换成模拟信号;人机接口主要包括键盘接口。Flash保存DSP所需的程序,供DSP上电调用。此外,使用DSP的HPI接口连接到PC机。
  3 TPS65010和OMAP5912的硬件设计
  TPS65010和OMAP5912的连接是实现系统低功耗设计的关键,具体硬件连接如图3所示。TPS650lO可以提供OMAP5912所需的各种电压,但是核心运算单元需要的CVDDA以及重要外设需要的DVDD4由TPS7620l从Vmain电压转换得到。具体的TPS76201的硬件连接如图4所示。TPS7620l将Vmain的3.3V电压转换成1.6 V提供给OMAP,只要Vmain的电压不低于1.8 V,TPS76201都将稳定地输出1.6 V电压,以确保OMAP在任何情况下,即使是深度睡眠状态,核心运算单元和重要的外设都有稳定的电源保证。注意,如果不要求OMAP系统的低功 耗设计,CVDDA和 DVDD4可以直接连接到Vcore。
  TPS65010的Vcore输出1.6 V电压提供给OMAP的其他核,这些核电压在低功耗状态下均可以降低到1.1 V。TPS65010的VLDO1和VLDO2输出2.75V电压提供给OMAP的其他外设,这些电压和常规的3.3 V存在一定的电压差,但不影响数据传输。一般情况下,高电平只要达到2 V以上就可以了;低功耗状态下,VLDO1和VLDO2都降低到1.1 V。使用2个LDO给不同的外设提供电压,是为了在Big Sleep状态下关闭某些外设并同时能够使能其他外设。如果不进行低功耗设计,可以使用同一个LDO提供电压。
  TPS65010的I2C总线连接到OMAP,便于OMAP对TPS65010的寄存器进行设置。TPS65010的RESPWRON引脚连接到OMAP的Power_Reset引脚,上电复位后由TPS65010复位OMAP;TPS65010的LOWPWR引脚连接到OMAP的LOW_PWR引脚,OMAP进入低功耗状态由该引脚通知TPS65010,TPS65010将设定的各种电压降低,从而降低系统功耗。
  4 OMAP5912的低功耗软件设计
  OMAP5912有3种工作模式,分别为正常工作模式、Big Sleep模式和Deep Sleep模式。正常工作模式下,使能所有的内部时钟和外部时钟以及引脚,此时系统功耗最大,TPS650lO也按照正常工作方式供电。低功耗模式下,随时判断是否有芯片IDLE请求,如果有则进入Big Sleep模式。在Big Sleep模式下,进一步判断是否有外部时钟请求,并根据情况进入Deep Sleep模式。具体的软件流程见本刊网站www.mesnet.com.cn。
  在系统正常工作方式下,如果不需要进行低功耗设计,以上软件无需加入到应用程序中。进行低功耗设计时,就需要对OMAP的各种工作状态进行判断,要在应用程序中加入LOW_PWR信号使能、关闭DSP核、激活并设置唤醒事件、关闭ARM核、激活并设置深度睡眠等软件代码。
  5 总 结
  本文详细介绍了基于TPS65010和OMAP5912的低功耗系统设计。使用TPS65010的多个电源输出引脚给OMAP的不同单元供电,以便在OMAP的不同工作模式下改变电压输出,降低系统功耗。OMAP根据自身的软件运行情况,随时调整工作模式,并通知TPS65010,使得软件和硬件在低功耗设计上得到互通。该设计方法适用于各种对功耗要求较高的电子设备。
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