基于低電壓/低功耗可編程片上系統(tǒng)的電源管理方案

為什么要關(guān)心電源管理？

由于多種因素，電源管理正變得非常重要。對于移動手持嵌入式系統(tǒng)來說，總是存在著在增加電池壽命的同時要提供更多功能的壓力。當(dāng)電池本身無法提高卻需要達到此要求時，提供更低功耗更好性能的芯片的壓力就落在了芯片供應(yīng)商的身上。同時為了滿足縮短設(shè)計周期加速上市的要求，就需要提供更低功耗的靈活的可編程的器件。而且，綠色運動要求減少電池廢品，這個要求對于嵌入式系統(tǒng)來說就轉(zhuǎn)化為要進行更少的電池更換。同樣，全球的政府法規(guī)（例如：能源之星）也要求減小電器設(shè)備中的待機電流。下一代嵌入式系統(tǒng)將需要在工作和睡眠模式下都具有極端低的功耗，而且為滿足上市時間要求所必需的靈活性和可編程性也同時需要得到提高。

除了更小的電流消耗之外，這里同樣也需要更低的系統(tǒng)電壓。幾年前，最小標(biāo)準(zhǔn)工作電壓是3.3伏特。目前，最小標(biāo)準(zhǔn)工作電壓是1.8伏特。將這一趨勢圖表化后，未來器件的最小標(biāo)準(zhǔn)工作電壓趨勢會延伸至亞伏特范圍，這將會成為一個現(xiàn)實。這使得用一個單節(jié)的AA或AAA電池來構(gòu)造基于SoC的設(shè)計得以實現(xiàn)（電池的電壓壽命大約終止于0.9伏特）。盡管目前一些基于SoC的設(shè)計能在1.8伏特下運行，但是更經(jīng)常的是其模擬性能會在這樣低的電壓下降低。對于要求良好模擬性能的手持電池供電設(shè)計來說，能夠在低于1伏特下運行且依舊滿足模擬性能要求，可以可以使用一個單節(jié)的AA或AAA電池供電。這個對于客戶來說就是可以需要更少的電池從而降低成本。

如何實現(xiàn)亞伏特的運行？

當(dāng)嵌入式SoC器件有一個內(nèi)置的升壓轉(zhuǎn)換器，這個內(nèi)置的升壓轉(zhuǎn)換器可以將輸入電壓（如0.9伏特輸入電壓）升至一個更高的系統(tǒng)電壓級（如3.3伏特），這時能夠?qū)崿F(xiàn)亞伏特運行。在此模式下，重要的是來自升壓轉(zhuǎn)換器的噪聲不會影響模擬外圍設(shè)備的性能。圖1顯示了一個集成的升壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)級的連接情況，這個集成的升壓轉(zhuǎn)換器是來自賽普拉斯半導(dǎo)體的一個PSoC 3可編程片上系統(tǒng)芯片的一部分。

圖1一個外部低電壓升至一個內(nèi)部更高電壓的系統(tǒng)級連接情況

具有能夠接受亞伏特輸入電壓的一個集成升壓轉(zhuǎn)換器有以下優(yōu)點：

1. 能夠通過一個單節(jié)AA或AAA電池來使系統(tǒng)工作

2. 即使使用一個變化的電源電壓也能夠提供一個最低保證系統(tǒng)電壓

3. 能夠使用升高的輸出電壓來運行系統(tǒng)中需要更高電壓的其他電路。例如：LCD，傳感器電路等。

寬的電源電壓范圍：

一個從1.8伏特（0.9伏特即可激活升壓）橫跨至5.5伏特的寬電壓范圍可以給用戶提供最大的靈活性，原因如下：

1. 正如表1所示，對于最常見的電池來說，能夠從標(biāo)準(zhǔn)電池電壓橫跨至其壽命電壓的終點

2. 兼容3.3伏特和5伏特的傳統(tǒng)系統(tǒng)電壓

3. 5.5伏特的上限為來自傳統(tǒng)系統(tǒng)的信號軌至軌的測量提供了5伏特以上的寬裕度。

通過在器件內(nèi)部提供內(nèi)置的低壓差線性穩(wěn)壓器能夠提供寬范圍的外部電源電壓，這個寬范圍的外部電源電壓可以為芯片保持一個穩(wěn)定的低核心電壓。而且數(shù)字域和模擬域都具有分開獨立的內(nèi)部穩(wěn)壓器可以確保模擬性能不會受到來自數(shù)字電源軌噪聲的損害。圖2 顯示了系統(tǒng)級連接情況和可容納一個寬電源電壓范圍的內(nèi)部穩(wěn)壓器。

圖2 內(nèi)部穩(wěn)壓器的系統(tǒng)級連接情況

在圖2中，當(dāng)內(nèi)置的模擬和數(shù)字穩(wěn)壓器能夠確保內(nèi)核依舊運行在一個穩(wěn)定的低電壓下時，Vddd和Vdda能夠從1.71伏特變化至5.5伏特。如果采取了適當(dāng)?shù)脑O(shè)計，此系統(tǒng)同樣也可確保在整個電源電壓范圍內(nèi)都具有相同的模擬性能。

I/O組的獨立電源

為了允許連接系統(tǒng)中可能具有不同系統(tǒng)電壓的其他器件，一個SoC需要具有分開獨立的I/O電源，這些I/O電源能夠被獨立設(shè)置為具有一個寬電壓范圍內(nèi)的任何電壓。正如圖3所示，一個具有4個I/O組的SoC，其中每個I/O組都能夠被從1.8伏特至5伏特范圍內(nèi)的任何電壓驅(qū)動，可以提供與PCB上其他器件的無縫連接。

圖3 每個I/O組的獨立電源電壓可以提供與可能運行在不同電壓下器件的無縫連接

靈活的電源模式

當(dāng)可編程系統(tǒng)低耗電性依舊是個神話時，深思熟慮后產(chǎn)生的可編程的SoC已經(jīng)能夠擁有世界一流的電流，可與獨立的MCU相匹配。牢記最終客戶的應(yīng)用，表2中顯示了合乎需要的電源模式以及它們的電流。

在用戶主動使用表1中顯示的工作模式時，它是系統(tǒng)正常運行的模式。一個可編程的SoC將允許在此模式下選擇性地禁用不需要的外圍設(shè)備。

在交替工作模式下，所選定的較少數(shù)量的外圍設(shè)備會有效工作。這提供了一個降低功耗的工作模式，能夠從正常的工作模式進入此模式。一旦從此模式中退出，系統(tǒng)就會返回正常工作模式。對此可以舉一個例子，如對于一個帶顯示器的嵌入式系統(tǒng)，可以在單獨關(guān)斷顯示器的電源的同時，保持嵌入式系統(tǒng)依舊繼續(xù)運行。當(dāng)需要關(guān)斷顯示器時，系統(tǒng)將進入備用工作模式，其中將關(guān)斷顯示器所需要的外圍設(shè)備的電源。

在電池供電的嵌入式系統(tǒng)中通常會使用到睡眠模式。這是一個極端低功耗的模式，其中所有的外圍設(shè)備都處于低功耗狀態(tài)，然而會保持一個實時時鐘。此模式同樣也用于需要經(jīng)常在工作和睡眠模式之間循環(huán)運行的系統(tǒng)中。對此可以舉一個例子，如一個溫度傳感器，它每分鐘都需要更新其讀數(shù)。系統(tǒng)會在每分鐘被喚醒，讀取數(shù)再返回睡眠模式。其結(jié)果會降低平均功耗。

休眠是器件的最低功耗模式，此模式下依舊能夠保持存儲器中的內(nèi)容和配置情況。它能夠從一個I/O源就喚醒器件，這也給用戶或系統(tǒng)中另外的器件提供了喚醒器件的能力。休眠模式同樣也能夠用于消除一個手持器件中使用電源開關(guān)的需要（既然按下任何按鈕都能夠喚醒器件）。

結(jié)論

可編程的片上系統(tǒng)（PSoC）可提供高的集成度，且通過使用一個可高效配置和編程的系統(tǒng)可同時提供給用戶建立起他們自己定制的外圍設(shè)備的能力。精心設(shè)計的可編程的SoC能夠提供世界一流的電源管理功能，它不僅能夠滿足MCU的電量要求而且同樣也可提供一種可配置的電源管理系統(tǒng)，這種可配置的電源管理系統(tǒng)同樣能夠提供精確的模擬性能。

賽普拉斯半導(dǎo)體的PSoC 3 和PSoC 5系列是現(xiàn)場可編程的嵌入式SoC，它具有可編程的數(shù)字模塊和可配置的模擬模塊。設(shè)計這些器件能給用戶提供最大可能的靈活性和可編程性，同時又消耗非常少的睡眠電流和工作電流。它同樣也提供精確的模擬性能（16位至20位的精度）。PSoC Creator是一個集成開發(fā)環(huán)境軟件，能夠用于對PSoC 3 和 PSoC 5系列進行從端至端的迅速地開發(fā)設(shè)計，這包括器件選擇，給數(shù)字和模擬外圍設(shè)備進行配置/編程，配置電源系統(tǒng)，固件開發(fā)，調(diào)試和編程的全部過程。