基于片上状态机的智能电源管理单元设计

mA、3.3V的升压降压DC/DC级联LDO变换器3可以作为音频编解码电路，点阵LCD显示等模块的电源供应。额外的一路1.2A、0.9V的同步降压稳压器4则迎合了深亚微米系统内核更低电压和大电流输入的要求。

工作模式

为了应对延长便携式设备待机时间的设计挑战，设计时有以下工作模式可供切换

1 普通工作模式

在系统某些部分需要正常供电或进行电源管理的情况下，芯片工作在此模式。包括输入源通道切换控制器， DC/DC变换器，锂离子电池充电器等片上资源通过一个由128个寄存器组成的寄存器堆进行监管和控制，在某些系统负载处于闲置状态或片上部分资源暂时与当前工作现场无关时，需要通过设置其映射的寄存器或寄存器组来将其关断，以降低系统平均功耗

2 关断待机模式

在系统的各个部分均处于非工作状态时，整个系统中将仅有电源管理芯片时刻处于待命状态，此时芯片工作在关断模式。在这个模式下，除了输入源控制器、部分片上数字控制逻辑、上电复位电路以及内部基准稳压器和10kHz振荡器以外的所有单元都将被关断，而在关断模式中始终处于工作状态的各个单元都使用了独特的芯片工艺进行设计，最大限度地减小其工作电流，从而保证了当使用一块容量为600mAh的锂离子电池为系统供电时，电池可以在此模式连续待机三个月。

3 USB单独工作模式

为了在通信的同时为电池补给电力， USB单独工作模式为设计者提供了充电功能，通过对电池当前剩余电量的估计和判断能够进入充电的不同阶段。当电池处于温度适当且电压较低（如< 3.8V）的情况下，预充机制将被启动，由相应的安全充电定时器来对电池状态进行监控，如若在计时器溢出时电池的电压仍然不能达到正常快充状态，则会被判为电池故障，由此保证系统安全性。

除此之外，在外部MCU处于睡眠的状态下，芯片可以通过访问对应的模式寄存器，配合外部的CTN热敏电阻，将锂离子电池充饱至4.1V。以上所提到的关于USB的单独工作模式都是以芯片内部的优化状态机作为核心，也是状态机控制流程中的一个组成部分。图3是USB 睡眠充电模式的状态转换图，芯片以集成的方式对系统的电源进行管理，这样的管理方式有别于其他带有片上MCU硬核的ASSP，在节省功耗的前提下也不失灵活性，当应用需要外部动态配置时，可以由用户固件进行控制，通用的SPI接口和片上寄存器堆的实时访问帮助用户定制自己的设计。

图3 USB睡眠充电模式的状态机转换流程

应用设计技巧

输入源通道切换控制器的隔离：输入源不仅需要通过开关管连接到通道切换控制器，而且彼此必须相互隔离，使用背靠背的成对MOSFET可以借助管子的体二极管来达到通道隔离的目的，同时低RDS(ON)的MOSFET有助于提高电源效率，减少不必要的功率损耗对于电感式同步降压稳压器，设计时选用的开关管应当具有较小栅极载荷特性，降低转换的开关损耗，提高开关效率。由于DC/DC的反馈电路提供了集成的方案，对于设计者来说不再需要过多考虑电源的回路增益（穿越频率）以及转换器的稳定问题，同时省去了复杂的回路零点与极点的计算和配置，通过选用较少的几个外围器件就能留有足够的相位余量，达到稳定可靠的目的。另外使用低ESR的陶瓷电容更有助于降低输出纹波，降低噪声。

值得一提的是，如果在设计中需要额外的一路3.6V电压作为供给，我们可以在3.3V的升压降压DC/DC级联LDO变换器3上动一些脑筋。在系统正常启动的前提下，可以通过位于LDO之前的升压/降压 DC/DC进行电源补给，但需要注意的是负载不能过重，以及调整适当的上电顺序，防止在LDO输入端的电压跌落导致其工作失效。在系统需要外部实时时钟电源供给时，一种简洁的思路是可以直接借助于内部2.5V电压基准，因为在系统关断的情况下，这一部分仍然可以服务于不间断的实时时钟。

板级设计方面则要注意芯片电源地的相对位置，尽量使用独立的电源和地平面以保证整个电源模块的电源完整性（PI），最大程度地降低同步开关噪声和阻抗不连续造成的系统稳定性缺失。

测试与评估

图4～图6是我们编写的虚拟仪器评估面板，用来对整个电源管理系统进行测试和评估。

图4 VI监控面板

图5 VI充电面板

图6 VI SIM 接口控制面板

包括当前输入源配置、USB工作状态、GPIO控制、正常工作显示，过压/欠压/中断/屏蔽/复位等系统监控寄存器配置，DAC偏流控制，各路电压调整（见图4），充电源选择，充电状态切换，电流大小，安全定时器以及看门狗状态（见图5），SIM卡电源，时钟，波特率，及相应的屏蔽/状态/控制/数据/指针等寄存器（见图6）在内的完整系统资源都可以得到测试和评估。

图8给出了电池输入4.