基于片上状态机的智能电源管理单元设计

作者：华东师范大学 李甫成 邹晨 朱守正

AT73C203是美国爱特梅尔公司针对便携式电子产品推出的高集成度智能电源管理芯片，适用于4.07～4.20V的各类锂离子电池，提供多种输入源选择以及多路的DC/DC可编程变换输出。

图1 使用AT73C203作为电源管理核心的DSC原型设计

AT73C203的特点

（1）四路输入源选择，包括一节内部锂离子电池，一节外部可拆卸锂离子电池，外接5V电源，以及USB-HUB。
（2）内部状态机能在没有任何外部MCU介入的情况下单独进行上电顺序控制，输入通道切换，安全关断设备，以及USB预充电，快充电等操作。
（3）三路降压DC/DC以及一路升压降压DC/DC级联 LDO的大电流变换器能够为负载提供足够的支持；三路均提供最高可达1.2A的输出能力，且电压可编程。
（4）两个可配置的锂离子电池充电器，提供预充电，快充电和满充保持模式，可以根据不同型号的锂离子电池调整不同的恒流恒压充电算法。
（5）片上A/D转换器实时监控包括电池温度，硅片温度，DC/DC输出终端以及输入源端的电压参数并提供过压和欠压保护与硬件复位。
（6）片上ISO7816模块，SIM/USIM兼容接口。
（7）集成的发送和接收数据FIFO。
（8）通用的SPI接口便于和MCU之间的通信及片上寄存器堆的访问。
（9）上电复位电路，针对PXA250/PXA255等类似的32位架构处理器，提供额外的系统级顺序复位信号，最大程度简化外围上电逻辑电路。
（10）高精度低温漂内部振荡器。
（11）高精度带隙电压基准。
（12）极低的电源消耗，关断模式下，仅仅60μA的工作电流。
（13）片上恒流DAC，为热敏电阻提供偏置，更大程度地提高安全性。
（14）外接电源充电和USB-HUB充电可供选择。
（15）额外的可编程GPIO用于LED驱动和状态显示控制，节省了MCU的I/O引脚。　
（16）MCU可控的充电算法。
（17）TF-BGA100的纤小封装使得最终产品小巧轻便。

内部结构和工作原理

AT73C203的内部结构如图2所示。

图2 AT73C203结构框图

1 输入源通道切换控制器

AT73C203 具有多路输入源可供选择，除去一节内部锂离子电池作为系统固有供给外，外部可拆卸锂电池，外接适配电源和USB-HUB等三种输入源均可在必要时接入供电系统，所有输入源通过外部背靠背的MOSFET对相互隔离。同一时刻，在源通道切换控制器的调度下选通一路作为整个系统的电源供给，切换控制器根据内部优先级高低选择当前有效的输入源，确保负载供电以及状态机控制在切换瞬间的连续性和稳定性。

2 A/D转换器

多输入复用A/D转换器用于系统电压的监控，包括各路DC/DC输出终端以及输入源端的电压参数，和芯片本身温度参数等均配置了对应的过压/欠压/中断/屏蔽/复位等寄存器，通过硬件门限比较电路配合用户软件可以灵活地应对工作时可能出现的各种突发故障，从而保护系统负载，并快速处理现场。

3 数字控制逻辑

数字控制部分提供了芯片与外部MCU的SPI接口以及对内部其他单元的协调和管理，除了给出必要的输入启动/关断/系统时钟、输出中断请求和通用I/O控制信号外，这部分还提供了不同模拟数字电路之间的电平转换功能，防止了由于电平不匹配造成的模块间电流泄露。针对不同系统负载的输入电压参数要求，数字控制逻辑可以通过外部引脚来设定当前DC/DC的输出工作电压：RAIL 1可配置为1.2V/1.75V，而RAIL 2可配置在1.8V/2.5V。

4 锂电池充电器

两个可供使用的锂电池充电器分别对应了系统内部锂离子电池以及外部可拆卸锂电池的补给需要。充电器除了状态机可控外，同时还提供了涓流恒流预充，软件控制快速恒流充电以及满充保持/结束充电等模式。针对不同技术参数的锂离子电池，为用户提供了灵活的解决方案，并在温度监控机制和安全定时器的保护下确保充电的安全性。

5 ETS TS 102 221兼容

配置了独立电压可编程LDO作为电源供给的SIM接口，完全符合ISO/IEC 7816标准下的ETSI TS 102 221技术规范，同时支持T=0和T=1协议，集成的两个16Byte FIFO和对应的4位指针节省了MCU资源，包括差错校验、位流控制、数据超时、重发机制、中断发生、通信速率及错误数目报告等在内的功能单元都有详细对应的寄存器映射，通过适当简便的配置即可快速地应用到具有SIM/ USIM需求的系统中。

6 多路DC/DC变换器

四路变换器均与片上的900kHz高精振荡源相连，振荡器提供的各个分布时钟经过移相处理后可有效地防止同步开关现象的发生。

工作在1.2A、1.2V/1.75V的同步降压稳压器1定位于应用处理器内核以及周边ASIC或SOC等器件，1.2A、1.8V/2.5V同步降压稳压器2则适合为板上FLASH、SDRAM以及外扩CF、MMC和Memory Stick等存储芯片提供支持，520