便攜設備電源管理系統

　　1 引言

　　早期嵌入式便攜設備由于結構簡單，往往只采用一兩種電源管理器件即可滿足供電需求。但是隨著嵌入式處理器功能不斷增強，便攜設備的電源管理系統設計面對尺寸和成本的全新挑戰。因此，采用傳統的單一功能電源管理器件已無法滿足需求，因此。采用專門集成電源管理單元（PMU）設計電源系統已是大勢所趨。這里給出了一種基于LP3913的便攜式設備電源管理系統設計方案。

　　2 LP3913簡介

　　LP3913是美國國家半導體公司推出的一款功能強大的PMU，專門針對嵌入式便攜設備應用，其主要特點為：2路線性電源（LDO）輸出和3路DC—DC Buck變換器輸出，每路輸出電壓可動態調節；開關機檢測和控制功能；USB／AC外部電源輸入管理，可在外部供電狀態和鋰離子供電狀態之間自動切換；鋰離子電池充電管理和電池過熱保護功能；內部A／D轉換器，可測量電池電壓、電流以及外部A／D轉換器輸入通道：I2C接口便于處理器設置、讀取內部功能狀態參數；內部中斷管理器，能夠通過中斷引腳IRQB向處理器及時報告各種電源事件；采用48引腳LLP封裝。

　　圖1為LP3913的內部結構。在LP3913的5個輸出通道中，LD0最大輸出電流150 mA，用于處理器睡眠時的常供電壓以及對供電電壓紋波水平要求較高的模擬器件供電：Buck變換器最大輸出電流1 000 mA，用于處理器內核供電以及其他負載較大的數字器件供電，同時Buckl通道還帶外部使能端，能夠獨立通斷。各輸出通道的電壓特性如表1所示。

　　3 系統設計

　　該系統設計手持式GPS導航設備，主處理器采用三星的S3C2440A。它是基于ARM920T內核，最大主頻為400MHz；內核電壓（Vcore）為1．2 V，I／O電壓（VDDIO）為3．3 V，常供電壓（Valive）為1．2 V；處理器在休眠模式下需關閉Vcore電壓，并通過CPU_PWREN引腳輸出低電平來控制；同時S3C2440A還支持用于節能的動態電壓縮放（DVS）特性，能夠根據不同工作狀態動態調整工作頻率，并且根據頻率調整內核工作電壓，最大程度減少電源消耗。除此之外，音頻功放等模擬電路需要紋波較小的3.3 V供電，外置SD卡由于熱拔插特性需要單獨供電。整個設備采用鋰電池供電，同時通過USB接口交換數據和充電，系統需要定期測量電池電壓并且換算剩余電量。

　　3．1 系統硬件設計

　　整個系統接口電路如圖2所示，設計方案中LP3913的LD01為處理器的Valive提供1.2 V電壓，Buckl用于處理器的內核電壓（Vcore）；當處理器進入休眠狀態，S3C2440A的CPU_PWREN引腳輸出低電平關閉Buckl輸出。當處理器需要DVS節能處理時，系統軟件通過I2C接口動態調節Buckl輸出電壓。此外，Buck2通道為處理器的I／O和其他數字器件提供3．3 V電壓，LD02輸出3．3 V用于音頻模擬電壓輸入，Buck3輸出單獨用于SD卡的熱拔插供電。

　　USB電源的輸入通過一個肖特基二極管MBRMll0ETlG （反向電壓lO V、最大電流1 A）和LP3913的USBPWR、VDD等引腳相接，這樣可以防止外部電源拔出后鋰電池產生的主電源輸出灌入到USB接口。此外，LP3913的TS引腳與電池內熱電偶相連，檢測電池溫度，無需該功能時則通過一只100 kΩ下拉電阻以防止LP3913誤認為溫度超標而切斷電池充電功能。

　　為了增加供電電流，LP3913主電源輸入VDD和VIN引腳是外置的；為了提高電源的利用效率，布板時需將LP3913的VDD和VIN電源連接線盡量加粗，同時Buck變換器所使用的電感也要盡量靠近LP3913的VBUCK引腳。

　　在無外部供電（USB／AC）輸入情況下，LP3913將鋰電池作為主電源輸入，并將電池電壓連接到VDDl～VDD2、VINl～V14等引腳作為LD0和BUCK變換器的輸入。當插人外部USB／AC電源后，LP3913將把主電源輸入自動切換為USB／AC，并對鋰電池充電；充電狀態通過CHG和STAT引腳指示。

　　LP3913具有強大的電源事件管理功能。LP3913內部設有專門的8位中斷請求寄存器IRQ（0dNH）和中斷掩碼寄存器IMR（0cH），能夠區分8種不同電源事件。每當有相應的電源事件發生時，IRQB引腳將輸出低電平，處理器檢測到該中斷信號后通過I2C總線讀取IRQ寄存器的值即可判斷相應的電源事件并作出相應處理。LP3913的中斷處理原理如圖3所示。

3．2 系統軟件設計

　　與電源相關部分的軟件主要有開關機流程和電源事件中斷處理兩部分。在缺省狀態下，LP3913的ONOFF引腳由內部下拉至低電平．系統處于關機休眠狀態。當ON／OFF引腳輸出大于32 ms寬度的脈沖，ONSTAT引腳將ON／OFF引腳狀態輸出到處理器的GPIO引腳上，并按順序先后接通2路LDO和3路BUCK輸出，同時通過NRST引腳輸出寬度60 ms的低電平脈沖到處理器的RESET引腳，防止處理器在電源不穩定情況下啟動。處理器啟動后，通過軟件設置相應的GPIO輸出高電平到LP3913的POWERACK引腳以保持電源選通。如果處理器在電源接通132 ms內沒有將POWERACK置高，則LP3913將重新切斷LDO和BUCK的輸出。在系統正常運行狀態下，如果ON／OFF引腳上出現高電平脈沖，LP3913會通過ONSTAT引腳將其送至處理器的中斷引腳，軟件檢測到該信號后啟動關機程序，最后將POWERACK引腳置低關閉LP3913的供電輸出。根據此過程設計的開關機程序流程如圖4所示。

　　電源事件中斷處理主要是根據LP3913的IRQB引腳返回的中斷信號讀取中斷寄存器，并判斷中斷事件然后做出相應的處理。中斷處理部分的偽代碼如下所示：

　　4 結語

　　介紹了多功能電源管理單元器件LP3913的基本原理及其在便攜設備電源管理系統中的應用。該系統設計采用USB外接電源和鋰離子電池供電，整個電路結構緊湊，功能完善。