基于片上狀態機的智能電源管理單元設計

AT73C203是美國愛特梅爾公司針對便攜式電子產品推出的高集成度智能電源管理芯片，適用于4.07～4.20V的各類鋰離子電池，提供多種輸入源選擇以及多路的DC/DC可編程變換輸出。

圖1 使用AT73C203作為電源管理核心的DSC原型設計

AT73C203的特點

（1）四路輸入源選擇，包括一節內部鋰離子電池，一節外部可拆卸鋰離子電池，外接5V電源，以及USB-HUB。
（2）內部狀態機能在沒有任何外部MCU介入的情況下單獨進行上電順序控制，輸入通道切換，安全關斷設備，以及USB預充電，快充電等操作。
（3）三路降壓DC/DC以及一路升壓降壓DC/DC級聯 LDO的大電流變換器能夠為負載提供足夠的支持；三路均提供最高可達1.2A的輸出能力，且電壓可編程。
（4）兩個可配置的鋰離子電池充電器，提供預充電，快充電和滿充保持模式，可以根據不同型號的鋰離子電池調整不同的恒流恒壓充電算法。
（5）片上A/D轉換器實時監控包括電池溫度，硅片溫度，DC/DC輸出終端以及輸入源端的電壓參數并提供過壓和欠壓保護與硬件復位。
（6）片上ISO7816模塊，SIM/USIM兼容接口。
（7）集成的發送和接收數據FIFO。
（8）通用的SPI接口便于和MCU之間的通信及片上寄存器堆的訪問。
（9）上電復位電路，針對PXA250/PXA255等類似的32位架構處理器，提供額外的系統級順序復位信號，最大程度簡化外圍上電邏輯電路。
（10）高精度低溫漂內部振蕩器。
（11）高精度帶隙電壓基準。
（12）極低的電源消耗，關斷模式下，僅僅60μA的工作電流。
（13）片上恒流DAC，為熱敏電阻提供偏置，更大程度地提高安全性。
（14）外接電源充電和USB-HUB充電可供選擇。
（15）額外的可編程GPIO用于LED驅動和狀態顯示控制，節省了MCU的I/O引腳。　
（16）MCU可控的充電算法。
（17）TF-BGA100的纖小封裝使得最終產品小巧輕便。

內部結構和工作原理

AT73C203的內部結構如圖2所示。

圖2 AT73C203結構框圖

1 輸入源通道切換控制器

AT73C203具有多路輸入源可供選擇，除去一節內部鋰離子電池作為系統固有供給外，外部可拆卸鋰電池，外接適配電源和USB-HUB等三種輸入源均可在必要時接入供電系統，所有輸入源通過外部背靠背的MOSFET對相互隔離。同一時刻，在源通道切換控制器的調度下選通一路作為整個系統的電源供給，切換控制器根據內部優先級高低選擇當前有效的輸入源，確保負載供電以及狀態機控制在切換瞬間的連續性和穩定性。

2 A/D轉換器

多輸入復用A/D轉換器用于系統電壓的監控，包括各路DC/DC輸出終端以及輸入源端的電壓參數，和芯片本身溫度參數等均配置了對應的過壓/欠壓/中斷/屏蔽/復位等寄存器，通過硬件門限比較電路配合用戶軟件可以靈活地應對工作時可能出現的各種突發故障，從而保護系統負載，并快速處理現場。

3 數字控制邏輯

數字控制部分提供了芯片與外部MCU的SPI接口以及對內部其他單元的協調和管理，除了給出必要的輸入啟動/關斷/系統時鐘、輸出中斷請求和通用I/O控制信號外，這部分還提供了不同模擬數字電路之間的電平轉換功能，防止了由于電平不匹配造成的模塊間電流泄露。針對不同系統負載的輸入電壓參數要求，數字控制邏輯可以通過外部引腳來設定當前DC/DC的輸出工作電壓：RAIL 1可配置為1.2V/1.75V，而RAIL 2可配置在1.8V/2.5V。

4 鋰電池充電器

兩個可供使用的鋰電池充電器分別對應了系統內部鋰離子電池以及外部可拆卸鋰電池的補給需要。充電器除了狀態機可控外，同時還提供了涓流恒流預充，軟件控制快速恒流充電以及滿充保持/結束充電等模式。針對不同技術參數的鋰離子電池，為用戶提供了靈活的解決方案，并在溫度監控機制和安全定時器的保護下確保充電的安全性。

5 ETS TS 102 221兼容

配置了獨立電壓可編程LDO作為電源供給的SIM接口，完全符合ISO/IEC 7816標準下的ETSI TS 102 221技術規范，同時支持T=0和T=1協議，集成的兩個16Byte FIFO和對應的4位指針節省了MCU資源，包括差錯校驗、位流控制、數據超時、重發機制、中斷發生、通信速率及錯誤數目報告等在內的功能單元都有詳細對應的寄存器映射，通過適當簡便的配置即可快速地應用到具有SIM/ USIM需求的系統中。

6 多路DC/DC變換器

四路變換器均與片上的900kHz高精振蕩源相連，振蕩器提供的各個分布時鐘經過移相處理后可有效地防止同步開關現象的發生。

工作在1.2A、1.2V/1.75V的同步降壓穩壓器1定位于應用處理器內核以及周邊ASIC或SOC等器件，1.2A、1.8V/2.5V同步降壓穩壓器2則適合為板上FLASH、SDRAM以及外擴CF、MMC和Memory Stick等存儲芯片提供支持，520mA、3.3V的升壓降壓DC/DC級聯LDO變換器3可以作為音頻編解碼電路，點陣LCD顯示等模塊的電源供應。額外的一路1.2A、0.9V的同步降壓穩壓器4則迎合了深亞微米系統內核更低電壓和大電流輸入的要求。

工作模式

為了應對延長便攜式設備待機時間的設計挑戰，設計時有以下工作模式可供切換。

1 普通工作模式

在系統某些部分需要正常供電或進行電源管理的情況下，芯片工作在此模式。包括輸入源通道切換控制器， DC/DC變換器，鋰離子電池充電器等片上資源通過一個由128個寄存器組成的寄存器堆進行監管和控制，在某些系統負載處于閑置狀態或片上部分資源暫時與當前工作現場無關時，需要通過設置其映射的寄存器或寄存器組來將其關斷，以降低系統平均功耗

2 關斷待機模式

在系統的各個部分均處于非工作狀態時，整個系統中將僅有電源管理芯片時刻處于待命狀態，此時芯片工作在關斷模式。在這個模式下，除了輸入源控制器、部分片上數字控制邏輯、上電復位電路以及內部基準穩壓器和10kHz振蕩器以外的所有單元都將被關斷，而在關斷模式中始終處于工作狀態的各個單元都使用了獨特的芯片工藝進行設計，最大限度地減小其工作電流，從而保證了當使用一塊容量為600mAh的鋰離子電池為系統供電時，電池可以在此模式連續待機三個月。

3 USB單獨工作模式

為了在通信的同時為電池補給電力， USB單獨工作模式為設計者提供了充電功能，通過對電池當前剩余電量的估計和判斷能夠進入充電的不同階段。當電池處于溫度適當且電壓較低（如3.8V）的情況下，預充機制將被啟動，由相應的安全充電定時器來對電池狀態進行監控，如若在計時器溢出時電池的電壓仍然不能達到正常快充狀態，則會被判為電池故障，由此保證系統安全性。

除此之外，在外部MCU處于睡眠的狀態下，芯片可以通過訪問對應的模式寄存器，配合外部的CTN熱敏電阻，將鋰離子電池充飽至4.1V。以上所提到的關于USB的單獨工作模式都是以芯片內部的優化狀態機作為核心，也是狀態機控制流程中的一個組成部分。圖3是USB 睡眠充電模式的狀態轉換圖，芯片以集成的方式對系統的電源進行管理，這樣的管理方式有別于其他帶有片上MCU硬核的ASSP，在節省功耗的前提下也不失靈活性，當應用需要外部動態配置時，可以由用戶固件進行控制，通用的SPI接口和片上寄存器堆的實時訪問幫助用戶定制自己的設計。

圖3 USB睡眠充電模式的狀態機轉換流程

應用設計技巧

輸入源通道切換控制器的隔離：輸入源不僅需要通過開關管連接到通道切換控制器，而且彼此必須相互隔離，使用背靠背的成對MOSFET可以借助管子的體二極管來達到通道隔離的目的，同時低RDS(ON)的MOSFET有助于提高電源效率，減少不必要的功率損耗對于電感式同步降壓穩壓器，設計時選用的開關管應當具有較小柵極載荷特性，降低轉換的開關損耗，提高開關效率。由于DC/DC的反饋電路提供了集成的方案，對于設計者來說不再需要過多考慮電源的回路增益 （穿越頻率）以及轉換器的穩定問題，同時省去了復雜的回路零點與極點的計算和配置，通過選用較少的幾個外圍器件就能留有足夠的相位余量，達到穩定可靠的目的。另外使用低ESR的陶瓷電容更有助于降低輸出紋波，降低噪聲。

值得一提的是，如果在設計中需要額外的一路3.6V電壓作為供給，我們可以在3.3V的升壓降壓DC/DC級聯LDO變換器3上動一些腦筋。在系統正常啟動的前提下，可以通過位于LDO之前的升壓/降壓DC/DC進行電源補給，但需要注意的是負載不能過重，以及調整適當的上電順序，防止在LDO輸入端的電壓跌落導致其工作失效。在系統需要外部實時時鐘電源供給時，一種簡潔的思路是可以直接借助于內部2.5V電壓基準，因為在系統關斷的情況下，這一部分仍然可以服務于不間斷的實時時鐘。

板級設計方面則要注意芯片電源地的相對位置，盡量使用獨立的電源和地平面以保證整個電源模塊的電源完整性（PI），最大程度地降低同步開關噪聲和阻抗不連續造成的系統穩定性缺失。

測試與評估

圖4～圖6是我們編寫的虛擬儀器評估面板，用來對整個電源管理系統進行測試和評估。

圖4 VI監控面板

圖5 VI充電面板

圖6 VI SIM 接口控制面板

包括當前輸入源配置、USB工作狀態、GPIO控制、正常工作顯示，過壓/欠壓/中斷/屏蔽/復位等系統監控寄存器配置，DAC偏流控制，各路電壓調整（見圖4），充電源選擇，充電狀態切換，電流大小，安全定時器以及看門狗狀態（見圖5），SIM卡電源，時鐘，波特率，及相應的屏蔽/狀態/控制/數據/指針等寄存器（見圖6）在內的完整系統資源都可以得到測試和評估。

圖8給出了電池輸入4.0V，負載電流為600mA時1.2V輸出端的瞬態響應和紋波情況。

圖7 RAIL1 輸出瞬態響應及紋波

三路不同輸出電壓的同步降壓穩壓器在各自帶動600mA負載時 （輸入電池4.0V），系統的DC/DC轉換效率可達到85%以上，包括其他系統資源在內的整體工作效率視具體應用略有差異。靈活地使用系統工作模式，以及狀態機機制能有效延長電池的工作時間。