個人導航設備的電源管理子系統設計

最近兩年，個人導航設備(PND Personal Navigation Device)被越來越多的消費者所接受;PND的功能也日趨多樣化，從單一具有導航功能發展到附加如多媒體應用的更多功能，比如通過藍牙實現免提功能。整個PND系統由此變得越來越復雜，給設計者帶來一系列新的挑戰，包括如何優化系統的功耗，如何簡化整個系統的設計以及如何加快產品的上市時間等。而選用合適的電源管理單元(PMU)有助于設計師解決這些問題。

首先采用PMU可以簡化設計，節省成本。因為要優化PND的功耗必須對各個功能模塊的供電進行單獨控制。如果采用分立器件則需較多的GPIO來分別控制他們，而采用PMU則可以通過I2C或其他簡單串行通信方式來控制各路電源的開關。另外很多處理器對上電時序有嚴格要求，這樣通常需要一個小的MCU去控制各分立器件來實現上電時序;而大部分PMU可提供處理器所需的上電時序，無需再額外增加MCU。借助于PMU的這些特點，使用PMU在簡化設計的同時還可節省成本。當然，這樣做的好處還可以節省PCB空間，簡化PCB設計。

在PND系統中采用PMU還能夠方便設計者進行功耗優化設計和熱設計，延長電池的使用時間和防止PND內部溫度過高而損壞PND。

一些PMU的電源輸出電壓可以通過軟件進行動態調整，設計者可以根據不同的應用來調整電源的輸出電壓。例如，在播放MP3時，可以將處理器的核電壓設定為1.2V，而在計算導航路徑時將核電壓設定為1.35V。如果采用分立器件則核電壓必須統一設定為1.35V或更高。那么在播放MP3時，處理器的核將會多消耗高達30%~50%的功耗。通常PMU還會提供一些系統的監控功能，比如監控電池的電壓、PMU自身的溫度等。這將進一步幫助設計者優化功耗設計和熱設計。比如，PND檢測到芯片溫度過高則可以自動終止某些不必要的應用，如停止MP3播放或調低充電電流。

除了以上提到的，在PND系統中采用PMU還可以加快產品的上市時間。由于PMU的每一路電源輸出的電壓和開關都可以由軟件來控制，電池的充電電流的大小也可以通過軟件來進行設定，同一個PMU可以用于不同的產品，軟件也可以相互兼容。設計者可以節省測試，驗證新器件和重寫軟件的時間，同時也可以避免選用新器件帶來的一些風險。這些都有助于縮短產品的上市時間。

PMU還呈現出一些新的發展動向，最典型的就是將一些音頻處理功能集成進PMU當中。如何在不增加成本和不犧牲音頻性能的情況下將電源器件與音頻處理器件集成在同一個芯片上，對PMU的設計者存在一定的設計挑戰，需要PMU的設計者同時具有豐富的電源器件設計經驗和音頻器件設計經驗，因為電源器件特別是DC/DC的噪聲會顯著降低音頻性能。而奧地利微電子公司的AS3*、AS3658芯片就很好得解決了這些問題。

在為PND選擇PMU時要注意以下幾點。首先，要選擇一個能夠滿足未來1~2年應用需求的PMU。主要考慮的因素有：各電源輸出電壓范圍和負載能力，充電器是否能支持更大容量的電池，音頻的編解碼器(CODEC)能否滿足未來1-2年的可能的主流應用。其次，要考慮PMU是否提供一些必要的系統監控功能，比如監控電池電壓、充電器輸入電壓、PMU芯片的溫度等。第三，要考慮PMU的供應商的設計和生產能力。PMU特別是集成了音頻CODEC的PMU是一個非常復雜的模擬器件，PMU供應商如果沒有多年的PMU設計經驗，用戶將會面臨很大的風險。PMU供應商是否有自己的芯片生產工廠也是一個重要的考慮因數，因為模擬器件的設計于生產工藝是密切相關的。

奧地利微電子公司有多款PMU可供選擇，可以滿足從入門級的個人導航設備應用到高端的個人導航設備的應用。其中剛發布的AS3658就非常適合中高端PND的應用。

AS3658(圖1)可以滿足PND中絕大部分的電源需求(包括上電時序要求)和音頻處理要求，大大降低了系統的復雜度。

圖1：AS3658的典型應用框圖。

AS3658主要集成了：

1. 3個500mA輸出的降壓型DC/DC。其中一個通過外加MOSFET可以將輸出電流擴展到1.6A，并支持動態電源管理功能(DVM Dynamic Voltage Management)。這三路DC/DC可以分別給I/O，存儲器和內核供電。

2. 4個數字LDO。他們可以用來給內核，鎖相環回路等供電。

3.3個射頻LDO。他們可以給GPS的射頻、藍牙的射頻、FM收發器等供電。

4. 1個5V/100mA的充電泵，可以用作LCD的5V偏壓。

5. 2個升壓型DC/DC。其中一個與耐高壓的電流源組合在一起可以用作LCD的背光電源。另外一個可以用來給驅動揚聲器的功放供電或者用來提供LCD所需的正負偏壓。

6. 一個充電電流可達880mA的USB充電器。

7. 一個輸入電壓可達15V的DC/DC型的充電器，該充電器也可以配置成線性的充電器，充電電流可達1A。

AS3658還集成了：

1. 一個高性能的音頻CODEC。

2. 一個雙向的復位電路，復位引腳可以復位外部器件如處理器等，也可以作為AS3658復位的輸入引腳來復位AS3658。

3. 一個觸摸屏控制器。

4. 一個實時時鐘(RTC)及其備份電池的充電器。實時時鐘可以每秒或每分鐘產生一個中斷。AS3658處于關機狀態下也可以用此實時時鐘來使AS3658開機。另外，RTC也支持定時開機功能。

5. 一些系統監控功能，如電池電壓、充電器輸入電壓、芯片溫度、看門狗、中斷控制器等。

6. 8組預先定義的上電時序，其中包括了目前市場上主流處理器要求的上電時序。

7. 一個標準I2C接口。處理器可以通過他來實現對AS3658的控制。

其中AS3658獨具特色的DC/DC充電器具有較寬的輸入電壓范圍(5~15V)。通常需要一個適配器將汽車電池的電壓從12V降到5V來給PND的電池充電。而通過增加一些額外的MOSFET，AS3658充電電路的最高輸入電壓可以由15V提升到50V甚至更高，這樣可使消費者將PND直接連到汽車(包括卡車)的點煙器電源上而不需要外部的適配器。

相比線性充電器，DC/DC型的充電器還可以減少充電器的自身的功耗從而減少發熱。另外，線性充電器自身的功耗絕大部分是消耗在內部的一個晶體管上，因此該晶體管的溫度會非常高從而可能縮短充電器的使用壽命，也會造成PND內部局部溫度過高;而DC/DC型的充電器自身的功耗是分散在幾個不同的外部元器件上，所以充電器自身溫升會很小。

DC/DC型充電器還能夠進行精確的電池剩余容量檢測，充電器內部的FUEL GAUGE模塊會實時監測流進或流出電池的電量，用戶可以據此來精確計算電池的剩余容量。其還具備完善的充電保護和充電指示功能，包括電池過溫保護和對是否有充電器插入和電池是否充滿的指示功能。

總結起來，與線性的充電器相比，DC/DC型充電器至少可以給設計者和用戶帶來三大好處。其一，能夠以更大的電流來對電池充電從而縮短充電時間;其二，能夠顯著降低PND內部的溫升，從而可以簡化PND的熱設計，提高PND的可靠性;其三，能夠降低整個PND的成本。

而AS3658高性能的CODEC(圖2)則具有以下特點：

1. 每一路模擬音頻輸入或輸出的左右聲道的音量多可以分別調節(32級可調)。

2. 18位94dB的音頻DAC。

3. 14位82dB的音頻ADC。模擬音頻的輸入可以是麥克風輸入或線輸入或混音器的輸出。

4. 多個I2S/PCM接口。I2S所需的主時鐘可以由內部的PLL產生，也可以從處理器輸入。同時I2S1還可以作為I2S的主設備。PCM接口可以方便地實現藍牙免提功能。

5. 混音器可以實現多種音頻輸入到音頻輸出的路徑，可以實現多種應用場景。

6. 5波段的音效處理模塊可以有效降低對處理器性能的要求，降低播放MP3等時的功耗。

圖2：高性能的音頻CODEC。

此外，AS3658還具備完善的系統監控功能和獨特的待機模式。

AS3658提供豐富的系統監控功能，與中斷控制器配合可以方便地實現處理器對系統的監控。其可監控充電器的狀態，可監控充電器電源是否?插入或拔出，充電器是處于涓流充電，是恒流充電還是恒壓充電狀態，電池是否充滿，電池是否過溫等。

其還可監控各路電源的輸出是否欠壓，麥克風是否連接，是否有線控按鍵被按下(AS3658的麥克風可實現線控功能)。還可監控AS3658芯片的結溫并在過溫的情況下提供必要的保護。設計者也可以通過內部的ADC實時讀取芯片的結溫度來實現對整個負載的動態管理。

另外還可監控引起系統復位的原因。而PND可以根據不同的復位原因來決定采取什么動作。比如，在PND處于關機的狀態下插入充電器電源時會使PMU上電復位從而使PND開機;但處理器可以知道是充電器插入引起的上電復位，那么處理器只需設定好充電器然后將PND置于一種低功耗模式，然后等電池充滿后再將PND關機。這樣，用戶感覺PND還是一直處于關機狀態。又比如，如果處理器發現是看門狗引起的復位(其具有看門狗功能，如果系統軟件跑飛的話，看門狗可以協助恢復系統。看門狗可以通過軟件的方式來觸發也可以通過一個GPIO輸入來觸發。)那么，PND可以采取特殊的處理方法來恢復系統以減少對用戶數據的破壞。

現在絕大部分的PND在開機時先將代碼從NAND FLASH拷貝到SDRAM然后從SDRAM中執行代碼。將代碼從FLASH拷貝到SDRAM需要一定的時間，通常給用戶的體驗是開機時間過長。AS3658提供一種功能就是可以在PND關機后關斷其他的電源而保持SDRAM的電源。這樣在下次開機時可以直接從SDRAM開始執行代碼。當然要實現此功能還需借助AS3658的另一功能。AS3658提供一個8位的SRAM給用戶使用，SRAM的內容在處于待機模式或完全關機的狀態下也會保持。設計者可以用此SRAM來標記SDRAM中是否有正確的代碼從而決定采用哪種啟動模式：是從FLASH啟動還是直接從SDRAM啟動。當退出該模式時，AS3658會執行一次上電復位過程但給SDRAM供電的電源會一直保持。按開機鍵或插入充電器電源或任一中斷發生后會使AS3658退出此待機模式。

越來越多的PND設計者已經認識到PMU給他們帶來的價值并開始在他們的設計中嘗試使用PMU。奧地利微電子公司一直專注于為客戶提供適合PND使用的PMU。除了現有產品，其還將于2008年再推出1~2款適合中低端PND應用的PMU。