具有自適應開機和冬眠功能的電源管理設計

摘要：消費類電子產品主控SoC芯片內電源管理部分的設計對產品整機的功耗控制至關重要。為降低產品功耗和節省成本，設計了與任意片外開機使能電平相匹配的自適應開機接口使電子產品的開關機電路得到簡化；并通過軟硬件協作實現了冬眠功能，其特點是在待機狀態下，SoC上除電源管理單元和實時時鐘外全部關電，而后能響應用戶請求迅速恢復系統運行。
關鍵詞：SoC芯片；電源管理；“自適應”開機；“冬眠”功能

0 引言
隨著科技的進步，手機，MP3／MP4，PDA等消費類電子產品的智能化程度越來越高，功耗越來越低而價格越來越便宜。與此趨勢相應的就是此類產品的電源管理方案更加復雜和靈活。
以手機為例，起初手機的電源管理只包括簡單的電源開通／關閉功能，由系統級印刷電路板(以下簡稱PCB)上獨立于主控芯片(以下簡稱SoC)之外的控制電路和電源管理芯片(PMIC)實現，其中PMIC的基本功能是把手機電池的單電壓輸入(手機鋰電池的電壓為3．6V)轉換成多路電壓輸出給PCB上各部件供電(有的需要3．3 V，有的需要1．8 V，每種電壓所需路數不等)。這種電源管理方式的缺點是方案成本較高，功耗控制簡單即PMIC的電源輸出同時開或同時關。基于此種簡單的電源管理，SoC的主要功耗控制方式是降低時鐘頻率和關停時鐘。
如今的智能手機都將電源控制部分集成到主控芯片內部作為電源管理單元(PMU)，其優點是節省成本，和能夠實現靈活的電源控制：包括靈活控制開關機、靈活調節各路電源輸出的電平(比如軟件可以在不需要SDRAM工作的時間段，通過PMU控制外部PMIC將輸出給SDRAM的電壓從3．3 V降到2．7 V，以減少SDRAM的功耗并保持其內容不丟失)和動態啟停PMIC的某一路或某幾路電源輸出。基于此類PMU，SoC可以實現包括降低電壓和關斷電源在內的更多功耗管理模式。
冬眠(Hibernation)是SoC最省電的一種功耗模式，在此模式下，SoC中除RTC(實時時鐘單元)和PMU仍然保持工作外，SoC其余部分的供電被關斷從而進入功耗最省狀態；同時在SoC外部，動態存儲器(SDRAM)保持供電且處于自刷新(Self-Refresh)狀態以維持其記憶體內容不變。當冬眠喚醒(Wakeup from Hibernation)被觸發后，PMU恢復SoC的正常供電并指示軟件從SDRAM直接啟動系統。
另外，在PMU的開關機控制中存在一個細節問題：PMU所輸出的開機使能電平是固定的，或為高或為低；在系統設計中必須保證PMU所輸出的開機使能電平與電源管理控制器(PMIC)所要求的電平一致，否則就需要在PCB上添加反相器或重新選擇符合要求的PMIC。注意這個有效開機使能電平的確定難以通過軟件的方法來解決，因為軟件必須在SoC正常上電之后才能運行，如果在芯片上電之前，PMU中預定的開機使能電平與實際PMIC要求的電平不符，則無法正常開機。
筆者在其公司最新設計的SoC中改進了PMU的設計，實現了自適應開機和冬眠功能。其中，自適應開機就是無論外部PMIC所要求的開機使能電平是高是低，PMU通過自身硬件進行自動判別并記憶，然后輸出正確的開機使能電平；同時PMU實現了特殊硬件機制使得系統開發人員能通過軟硬件結合輕松實現冬眠功能。

1 電源管理單元
首先給出PMU的接口和寄存器設置，讀者由此可以把握本PMU設計的基本規范(spec)。如圖1所示。

1．1 PMU接口
VDDP／GNDP：專門給PMU供電的管腳，一直有電(Always on Power)；與之對應，VDDM／GNDM給外部SDRAM以及“冬眠”喚醒部件供電，VDDC／GNDC為主電源，給SoC其他功能模塊和系統其他部件供電。
RSTn：復位輸入，低電平有效；在PCB上有一個由主電源VDDC供電的復位發生器(PoR)。當VDDC掉電時，RSTn將保持為低；當VDDC上電時，RSTn經過一段延遲(如50 ms，不同復位發生器延遲不一樣)由低變高并停在高電平直到VDDC掉電。
CLK：32 kHz時鐘輸入，用于給按鍵計時；(此時鐘為復用RTC模塊的低功耗高精度實時時鐘)。
PSI[1：0]：2個按鍵輸入接口，PSI[0]用于開關機鍵，PSI[1]用于“冬眠”喚醒鍵；輸入值為低表示相應鍵有按下。
PSO[1：0]：2個電源使能輸出接口，PSO[0]使能VDDC，PSO[1]使能VDDM。