對電源管理設(shè)計中的功能安全和狀態(tài)機進(jìn)行詳細(xì)說明

在整車電源管理中，IC 需要將多軌降壓、升壓和 LDO 穩(wěn)壓功能與每個電軌的參數(shù)，以及與其他電軌間交互的復(fù)雜可配置能力整合在一起。對于智駕系統(tǒng)設(shè)計人員而言，都需要清楚，穩(wěn)定、準(zhǔn)確、高效的直流 (DC) 供電軌是實現(xiàn)系統(tǒng)可靠、一致運行的必要條件。通常由 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器（轉(zhuǎn)換器）和低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 組合提供各種電壓，每一個穩(wěn)壓器都與其所支持電軌的特定電壓、電流、精度、噪聲、瞬態(tài)響應(yīng)以及其他需求相匹配。

前文對智駕系統(tǒng)的整個電源設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)說明，但是考慮到電源設(shè)計在實際應(yīng)用中還需要充分考慮這個電源管理的狀態(tài)設(shè)計，以及從狀態(tài)設(shè)計中衍生出的功能安全設(shè)計。首先，整個電源管理的狀態(tài)是需要根據(jù)對應(yīng)用芯片的供電能力進(jìn)行適配的；其次，在電源適配過程中，還需要在防錯、糾呆上做出合理的設(shè)計。因此，本文將接續(xù)前文對電源管理設(shè)計中的功能安全和狀態(tài)機進(jìn)行詳細(xì)說明。

電源管理模塊中的功能安全設(shè)計

通常情況，對于電源管理的整個模塊而言，其功能安全設(shè)計等級一般需要達(dá)到ASIL-B以上。這一過程需要充分考慮到電源管理模塊（主要是PMIC、LDO等）是如何進(jìn)行電源輸出流分配、過壓監(jiān)測、低壓預(yù)警以及電壓供給模塊失效后的處理策略等。

如下表示了PMIC在智駕系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的要素說明，以及對應(yīng)的電源分布式網(wǎng)絡(luò)設(shè)計能力要求。

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PMIC 內(nèi)部過壓和欠壓監(jiān)控及其各自的監(jiān)控閾值水平是默認(rèn)啟用的，整車啟動后可通過 I2C 更新。PMIC 電源軌直接連接到默認(rèn)狀態(tài)下的監(jiān)視處理器，而不是直接監(jiān)控通過負(fù)載開關(guān)供電的軌道。在為處理器的MCU I/O 供電的負(fù)載開關(guān)輸出電壓時，建議將POK 監(jiān)視器內(nèi)置于處理器的 VDDSHV0_MCU 電壓域中來使用。TPS65941212-Q1 中未使用的反饋引腳 BUCK3 的FB_B3可用于監(jiān)控外部降壓穩(wěn)壓器。用于監(jiān)控為主 I/O 供電的負(fù)載開關(guān)電壓，TPS65941111-Q1中另一個未使用的反饋的引腳（FB_B3 或 FB_B4）可通過 I2C 配置并連接到負(fù)載開關(guān)來啟用監(jiān)控模塊。

如下圖，還是以雙PMIC電源管理模塊舉例。PDN 在輸入電源和 PMIC 之間有一個串聯(lián)的外部功率模塊FET。FET前后的電壓由PMIC監(jiān)控，PMIC通過OVPGDRV管腳控制FET。前文所示的MCU 和主 I/O 域供電的負(fù)載開關(guān)、DDR 供電的分立式降壓以及為 EFUSE 供電的分立式 LDO 都連接在 FET 之后，這樣可以延長對這些處理器域和分立電源過電壓保護(hù)的能力。當(dāng)在輸入電源上檢測到大于6V 的過壓這一事件時，連接外部處理器的端口FET 可以將其串聯(lián)的設(shè)備與PMIC進(jìn)行快速隔離，以便保護(hù)包括來自FET輸出的所有電源軌系統(tǒng)免受損壞。當(dāng)然，在FET上游連接的任何電源也都不受過壓事件的保護(hù)。

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PMIC 內(nèi)部過壓和欠壓監(jiān)控及其各自的監(jiān)控閾值水平是默認(rèn)啟用的，并且可在啟動后通過 I2C 更新相應(yīng)的監(jiān)控閾值。默認(rèn)情況下，該監(jiān)控控制是直接連接到處理器的 PMIC 電源軌上的，且可不直接通過負(fù)載開關(guān)供電的軌道來做監(jiān)控。同時，整個I2C控制線可以為處理器的MCU I/O 供電的負(fù)載開關(guān)輸出電壓，一個未使用的反饋TPS65941111-Q1 的引腳（FB_B3 或 FB_B4）可通過 I2C 配置并連接到負(fù)載開關(guān)來啟用整個監(jiān)控。建議使用供電源FB_B3來監(jiān)控外部降壓穩(wěn)壓器LDO，也可用于為主 I/O 供電的負(fù)載開關(guān)電壓做監(jiān)控。

內(nèi)部看門狗在主 TPS6594-Q1 設(shè)備上是默認(rèn)啟用的。一旦設(shè)備處于活動狀態(tài)，就可以通過設(shè)備中的輔助 I2C 配置觸發(fā)器或 Q&A 設(shè)置看門狗。默認(rèn)情況下可以不啟用主從I2C CRC，但必須采用 I2C_2 觸發(fā)器來啟用PMIC芯片。一旦啟用，從片I2C 將被直接禁用 2ms，因為啟用 I2C CRC 通常需要等待至少 2ms，然后再啟動 Q&A 看門狗。如果在初始開發(fā)期間需要暫停看門狗功能或系統(tǒng)不需要此功能，則將主 TPS6594-Q1 的GPIO_8 上的取消設(shè)置 DISABLE_WDOG 信號設(shè)置為高電平，即可禁用看門狗定時器。

主TPS6594-Q1的PMIC 中的GPIO_7端口被配置為 MCU錯誤信號監(jiān)視器，且必須啟用通過 ESM_MCU_EN 寄存器位。MCU復(fù)位是通過初級DCDC之間的連接來支持PMIC nRSTOUT 引腳和處理器的 MCU_PORz。最后，在兩個 I2C 端口之間設(shè)置了TPS6594-Q1 和處理器。第一個用于所有非看門狗通信，例如電壓電平控制；第二個允許看門狗在獨立的通信通道上進(jìn)行有效監(jiān)控。

最后，為了達(dá)到安全的電源狀態(tài)狀態(tài)SAFE，預(yù)設(shè)置狀態(tài)機PFSM需要自動跳轉(zhuǎn)到可進(jìn)行安全自修復(fù)SAFE_RECOVERY的硬件有限狀態(tài)機中。在技術(shù)校驗過程中，從SAFE_RECOVERY 狀態(tài)開始，計數(shù)器會恢復(fù)遞增并與恢復(fù)計數(shù)閾值進(jìn)行比較。如果達(dá)到恢復(fù)計數(shù)閾值，則 PMIC 會停止恢復(fù)嘗試并需要重啟電源。

關(guān)于電源分配和管理的有限狀態(tài)機分配

數(shù)字信號的連接允許系統(tǒng)功能，包括MCU Only下僅使用 MCU 安全島和掛起至 RAM 低功耗模式，功能安全性高達(dá) ASIL-D，兼容雙電壓 SD 卡操作和LPDDR4x 集成。處理器和 PMIC 器件之間需要有相應(yīng)的數(shù)字控制信號映射。對于兩個PMIC設(shè)備一起工作時，主 PMIC 和輔助 PMIC 必須建立 SPMI 通信渠道。這允許兩個 TPS6594-Q1 同步其內(nèi)部預(yù)配置狀態(tài)機（PFSM）以便它們作為一個 PFSM 在所有電源和數(shù)字資源中運行，TPS6594-Q1上的GPIO_5 和 GPIO_6 引腳分配可以用于此功能。此外，主 PMIC LDOVINT 引腳需要連接到二次 PMIC ENABLE 輸入就可以正確啟動該預(yù)置的有限狀態(tài)機 PFSM。

在下圖中，顯示了已配置的 PDN 電源狀態(tài)，以及在兩者之間移動的轉(zhuǎn)換條件。此外，還顯示了到硬件狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，例如 SAFE RECOVERY 和 LP_STANDBY（Low Power Standby），硬件狀態(tài)是固定設(shè)備電源有限狀態(tài)機 (FSM) 的一部分。

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當(dāng) PMIC 從 FSM 轉(zhuǎn)換到 PFSM 時，會執(zhí)行多個初始化指令。比如禁用看門狗（BUCK）功能，以及對LDO 穩(wěn)壓器上的剩余電壓進(jìn)行檢查，然后設(shè)置 FIRST_STARTUP_DONE 位。執(zhí)行這些指令后，PMIC 在進(jìn)入 ACTIVE 狀態(tài)之前等待有效的 ON 觸發(fā)請求（SU_ACTIVE 觸發(fā)器）。

在電源配置網(wǎng)絡(luò)PDN 中，PMIC 設(shè)備具有四種配置的電源狀態(tài)。主要包含以下基礎(chǔ)的狀態(tài)設(shè)置外，在電源管理模塊中還設(shè)置了如何從其他硬件狀態(tài)中跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)的PMIC主狀態(tài)中。

每個電源狀態(tài)的定義如下所述。

? Standby（待機）：

此時電源管理系統(tǒng)PMIC 由系統(tǒng)電源軌 (VCCA > VCCA_UV) 上的有效電源供電，所有設(shè)備資源都在 STANDBY 狀態(tài)下斷電。EN_DRV 在此狀態(tài)下被強制置位為低電平，處理器處于關(guān)閉狀態(tài)，沒有電壓域通電。可以選擇使用主TPS6594-Q1 EN_DRV引腳來指示已檢測到錯誤，確保系統(tǒng)正在進(jìn)入SAFE狀態(tài)。如果系統(tǒng)具有一些需要由錯誤事件驅(qū)動的附加外部電路，則可以利用該信號。

任何其他運行狀態(tài)均可以通過立即或間歇性的關(guān)閉條件（OFF Request）進(jìn)入Standby狀態(tài)。而如果出現(xiàn)嚴(yán)重或者中等錯誤時，電源管理系統(tǒng)將從Standby狀態(tài)跳到安全回收狀態(tài)和低功耗的待機狀態(tài)LP_Standby。

? Active（激活）：

在激活狀態(tài)下，PMIC可以直接對相應(yīng)的ECU進(jìn)行有源供電。此狀態(tài)下PMIC 功能最為齊全，可為所有分布式電源網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點負(fù)載供電。此時，各處理器已按照推薦的上電順序完成對應(yīng)模塊的上電操作。從智駕系統(tǒng)看，其對應(yīng)所有的電壓域在MCU和主處理器SOC部分均已通電。

激活期間可能出現(xiàn)由于ESM故障或看門狗故障導(dǎo)致的熱重啟，該重啟過程不會改變整個電源管理控制狀態(tài)，熱重啟后仍然保持在Active狀態(tài)。

如果該激活狀態(tài)下接收到外部發(fā)送得請求進(jìn)入輕睡眠指令后，系統(tǒng)將跳轉(zhuǎn)至MCU Only狀態(tài)，該狀態(tài)下系統(tǒng)只啟動對應(yīng)的MCU模塊來進(jìn)行相應(yīng)的指令運算。

? MCU Only（僅MCU模式）：

MCU Only模式是狹義上針對諸如TDA4這一類超異構(gòu)芯片所單獨開發(fā)的低功耗模式，顧名思義，在該模式下，智駕系統(tǒng)中央域控只啟動MCU模塊進(jìn)行相應(yīng)的運算控制。廣義上，純異構(gòu)芯片架構(gòu)組成的智駕域控系統(tǒng)也存在MCU Only模式。只是相對于超異構(gòu)芯片這種模式的架構(gòu)來說，純異構(gòu)芯片架構(gòu)在電源控制這一塊上，相對更加簡單可控。因為各個芯片本身的構(gòu)造在電源樹上就是完全解耦的。

當(dāng)然，從供電邏輯上講，整個MCU Only模塊也需要電源管理模塊PMIC 直接進(jìn)行有源供電。此時，分配給處理器 MCU Only工作模塊的導(dǎo)軌電源資源將被動開啟。

此外，MCU ONLY 模式的另一種特殊情況是由于SOC電源錯誤而進(jìn)入該狀態(tài)。在這種情況下，PMIC 無法轉(zhuǎn)換到活動狀態(tài)或其他狀態(tài)，直到處理器有意將 PMIC專門用于 MCU ONLY 狀態(tài)控制。在觸發(fā)TO_MCU 這一啟動時序并“重新進(jìn)入”MCU ONLY 狀態(tài)后，PMIC 可以轉(zhuǎn)換回 ACTIVE 狀態(tài)。

對于MCU Only模式下，仍然可以在ESM故障或看門狗故障導(dǎo)致的熱重啟后保持在MCU Only狀態(tài)。同時，MCU Only 狀態(tài)也可以被重新喚醒進(jìn)入到正常激活狀態(tài)Active。

? Suspend-to-RAM （懸置存儲）：

這種狀態(tài)是專門考慮到智駕系統(tǒng)在很多情況下只在對運算的中間數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲的過程中的情況。這種情況更多的是系統(tǒng)掛起后進(jìn)入簡單的讀寫操作，占用的系統(tǒng)資源也主要是邏輯CPU運算資源。此階段也要求PMIC 直接進(jìn)行有源供電，只有3個SoC的三個存儲電壓域保持通電即可，而所有其他域都關(guān)閉以最大限度地降低系統(tǒng)總功耗。EN_DRV 在此狀態(tài)下強制為低電平。

懸置存儲狀態(tài)可以在用戶重新觸發(fā)激活指令（即WKUP 0—>1）時，將重新控制電源輸入從而進(jìn)入正常的電源供電狀態(tài)。

PMIC有限狀態(tài)機轉(zhuǎn)化條件說明

如下表描述了每個觸發(fā)器說明，其從最高優(yōu)先級（立即關(guān)斷）的相關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到最低優(yōu)先級、的整個跳轉(zhuǎn)過程。同時，還表示了較高優(yōu)先級的活動觸發(fā)器到較低優(yōu)先級的塊觸發(fā)器的觸發(fā)順序。

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這里需要注意的是如果設(shè)置了 LP_STANDBY_SEL 位，則 PFSM 轉(zhuǎn)換為 LP_STANDBY 的硬件 FSM 狀態(tài)。當(dāng) LP_STANDBY 作為輸入時，需要使用適當(dāng)?shù)臋C制來喚醒外圍設(shè)備。I2C_0、I2C_1、I2C_2 和 I2C_3 是自清除觸發(fā)器。啟用I2C CRC，同時啟用I2C1和I2C2 上的 CRC，但是，啟用 CRC 后 I2C2 被禁用 2ms。

對于設(shè)置電源管理的有限狀態(tài)機而言，有多種觸發(fā)器可以啟用已配置狀態(tài)之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。主PMIC的NSLEEP1和NSLEEP2兩種進(jìn)入輕睡眠的指令是通過GPIO引腳或寄存器Register位來進(jìn)行有效訪問的。如果寄存器位或GPIO引腳被拉高，則NSLEEP x值將被讀取為邏輯高電平。OTA更新完成后，需要重啟PMIC 整個狀態(tài)機才能應(yīng)用新的網(wǎng)絡(luò)報文管理 NVM 設(shè)置。

實際上PMIC（TPS6594-Q1）器件電源管理模塊是由固定寄存器和從NVM加載的可配置寄存器組成。對于所有NVM 寄存器，需要提供加載到寄存器中的初始NVM 設(shè)置，但是，這些初始 NVM 設(shè)置可以在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間更改，例如從STANDBY 模式移動到 ACTIVE 模式時，寄存器映射會從固定寄存器的默認(rèn)值跳轉(zhuǎn)到其他狀態(tài)值。在 TPS6594-Q1 數(shù)據(jù)表中，有七種基于應(yīng)用的配置可供每個 BUCK 在其中運行。七種配置還具有最佳輸出電感值，可在這些不同條件下優(yōu)化每個降壓器的性能。

寫在最后

本文從智駕系統(tǒng)電源管理設(shè)計的角度詳細(xì)分析了整個系統(tǒng)的電源設(shè)計方式。通過實例闡述主要分為幾個主要的部分：智駕系統(tǒng)架構(gòu)電源管理Profile、智能駕駛系統(tǒng)基礎(chǔ)電源樹設(shè)計、基于實例的電源網(wǎng)絡(luò)管理、電源管理模塊中的功能安全設(shè)計、電源分配和管理的有限狀態(tài)機分配。以上幾個電源設(shè)計方面都是圍繞智駕系統(tǒng)架構(gòu)而言，在充分考慮了使用端SOC、MCU的連接方式以及需求電壓值。本文主要介紹了PMIC的電源管理設(shè)計方法，為滿足當(dāng)今智駕系統(tǒng)更復(fù)雜的需求，PMIC 還必須加大其輸出范圍，提升其原始 DC 性能，改進(jìn)其附加功能，并提高用戶定義的靈活性。此外，它們必須將這些增強與更高級別的功能集成整合在一起，以減少電源管理功能的總占用面積，從而確保所設(shè)計的智駕域控不會超出更大的體積范圍。

審核編輯：劉清