系统芯片电源管理模块的设计

系统芯片电源管理模块的设计

摘要：超深亚微米系统芯片具有规模大，复杂度高，系统时钟频率快的特点。

传统的由外部电源直接给芯片供电的方式，由于稳定性等问题往往不能保证芯片

正常工作，一些系统设计者采取的电源管理设计方法是采用外加电压转换电路芯片，以及低电压检测电路芯片。基于FC接口实现电源管理模块通信，实现较多

数据文件的传输。采用应用系统集成于SOC技术，尽可能减少系统体积重量，提

高系统的性能、可靠性，并能降低系统的制造成本。

关键词：智能手机；电源模块；设计

随着人类社会向智能化的方向发展，嵌入式的应用也逐渐迎来了新的发展前景。各种各样的电子娱乐设备不断进入人们的生活中，其中以便携式设备的使用

最为广泛，如手机，笔记本电脑，数码相机等。而嵌入式便携设备大多都有功耗

约束，降低功耗，延长待机时间是其追求的目标。目前很多智能手机在密集使用

下只能维持半天，多数摄像机和数码相机在一次充电后都只有一个小时左右的累

积工作时间。这些便携设备的待机时间相对较短，不能很好的满足用户的使用需求。

一、智能电源管理模块的系统结构

智能电源管理模块是以片上系统SOC为控制中心，实现对数据的采集。模块

由电压电流调理电路、开关阵列电路、AD 选通转换电路、控制器、存储器、FC

接口等构成，主要负责电源模块的检测和控制。当上电BIT 测试正确，则电源管

理模块以一组固定的动作序列去控制开关阵列PSA 向外供电；若流经PSA 电流超

出范围Is≥IsMAX，控制PSA 并对其进行状态转换；在应急供电下，停止对通用模

块供电，只对关键模块供电；电源管理模块通过FC 接口与系统管理者进行传输

开关动作状态、报警信息、数据各支路电流，记录电源自测试BIT 结果、故障信息。

二、电源管理模块电路设计

1、复位电路。复位类型包括上电复位、手动复位、调试口复位、软件复位

和看门狗复位。上电或手动复位有效时产生200ms 的低电平复位信号，提供给SOC芯片作为系统复位触发源之一。调试口复位由外部调试工具产生，用于复位ARM922T 处理器的调试接口。软件复位指系统根据软件运行要求生成的复位触发源。而当系统在规定时间内，没有得到响应时产生看门狗复位。当SOC芯片接收

到上述复位类型中任意一种触发复位机制，由SOC芯片输出系统复位信号对电源

管理模块进行复位。

2、时钟电路。电源管理模块中需要使用时钟的电路有：SOC芯片、FC 接口。其中，SOC芯片选择53.125MHz 运行时钟，内部进行4 倍频提供ARM922T 处理

器使用。FC 接口收、发数据时钟频率为106.25MHz。

3、存储器电路。电源管理模块中的存储器是SDRAM 存储器。该存储器工作

电压为3.3V，封装为54 引脚的TSOP，容量为32M*16。在设计时使用2 片

K4S511632E 实现32 位操作。SOC芯片内置SDRAM 存储器控制器，提供SDRAM

的时序控制逻辑，并且提供SDRAM 访问时钟，时钟频率为56.125MHz，同存储

器时钟的时钟频率和相位在EDA 设计时保持一致。

4、逻辑控制电路。它是电源管理模块的控制部分，由重写电路、状态控制

电路、模拟控制电路、低电压逻辑电路、重启控制电路五部分组成。重启控制电

路接收电源启动信号和由低电压逻辑控制电路产生的低电压重启信号，产生控制

信号给重写电路。由重写电路完成系统启动时各个状态控制位的初值设定。如果是电源启动，重写完成后，重写电路接收到系统的电源启动完成信号，产生电源启动释放信号给电源启动电路，释放掉电源启动信号。低电压逻辑控制电路接收低电压事件信号，并根据MCU提供的状态控制信号，决定系统是进行低电压重启，还是进行低电压中断。状态控制电路产生控制信号给模拟控制电路和电压转换电路，进行状态控制。模拟控制电路接收控制信号，进行逻辑转换，产生电源管理模块中的模拟部分的使能信号。

5、电压转换电路。它是在逻辑控制电路的控制下，动态地对外部电源电压进行转换，提供稳定的电压给驱动电路。它主要有三个为泵电路提供输入的振荡器，三个泵电路和三个反馈控制电路，分别负责产生驱动电路。电压转换电路是一个负反馈系统。振荡器根据外部电压信号和由电源管理模块产生的参考电压产生方波，提供给泵电路。此处的振荡器为压控振荡器，不同的电压产生不同的频率的方波，低压高频。泵电路从振荡器接受方波，输出比较稳定的电压。要获得稳定的Vnominal，就要求振荡器电路与泵电路相互补充，以至最终输出稳定的电压。三个反馈控制电路，分别对三个驱动电路的输出电压进行监测，并将控制信号输送给振荡器，调整振荡器的工作状态，进而达到调整电压的目的。这部分电路和低电压检测电路一样，通过电阻对电压参考电路的输出的电压Vref 进行分压来设定各个控制参考电压值。此处，电压转换电路还包括辅助的控制模块，如电压参考电路的选择模块，为此，也要相应的增加一个电压参考电路。因为在MCU 的某些低功耗工作模式下，需要的电压会比正常工作的电压小，这样可以通过电压参考电路的选择模块选择一个比较小的参考电压，进而减小功耗。电压转换电路设计图如图所示。

6、模拟量输入电路。系统的模拟量信号是由多路模拟开关进行选通。多路开关是采用2 片16通道模拟开关和1 片8 通道模拟开关，通过4 位通道地址选取相应通道，其中最高位为片选位。因此，最多可选通38 路模拟信号，满足本模块所需的24 路模拟量信号的要求。模拟开关用于选通被测试信号，包括4 路电压检测信号、16 路电流模拟量信号和4 路应急模拟量信号，通过对GPIO0-5 配置进行通道选择。A/D 转换器件控制端直接与EBI 接口连接，CS 信号接EBI_CS2，读写信号则与EBI 读写信号相连。A/D 转换的操作为中断方式或查询方式，转换结束标志EOC 信号作为外部中断连接到SOC芯片，当转换结束后产生中断，由SOC芯片读取转换结果并作出相应处理。EOC 信号在设计时也连接到SOC芯片的GPIO 端，可作为输入信号，当转换开始后查询该信号状态判断是否转换结束。

7、离散量输出电路。离散量输出主要用于控制开关阵列的工作状态，当状态一旦置出，在没有检测到错误或是在没有接受到系统管理者更新指令时，该状态是不能变更的。在设计时，利用EBI 数据作为开关阵列的控制信号。首先，对EBI数据通过锁存器进行锁存，然后进行电平转换，以此输出满足开关阵列使用的+5V 电平信号，初始默认开关阵列的状态为全开，所以采用+5V 上拉方式保证离散量输出信号为高电平。

8、FC 接口。SOC芯片提供FC 接口，所以只需要在外部连接串并转化器和光电收发器即可。串并转换器具有10bitTx/Rx 总线接口，提供并行回环测试模式，接收、发送时钟可达到106.25MHz，兼容SSTL-2 电平，供电电压为3.3V。而光电收发器也采用的是一款高性能光纤模块，具有4 通道接收器/发送器，单通道带宽1Gbps 至2.7Gbps，兼容8B/10B 数据格式。设计过程中重点考虑PCB 制作和FC 接口端接匹配电阻的选择。