原创 PXA310系统的电源设计--M-Stone Tech

 2008-11-11 13:41  3734 6 6 分类: MCU/ 嵌入式

1． PXA310系统电源管理架构<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

作为一款用于终端嵌入式应用的高性能处理器，PXA310从其架构上就必然得重视其节电功能的设计。为了很好的与各种通讯协处理器配合，PXA310在架构上设立了2级时钟和电源管理系统，分别命名为CCU/MPMU(主时钟控制单元/主电源管理单元)和BCCU/BPMU(从时钟控制单元/从电源管理单元)。CCU/MPMU致力于整个系统的电源和时钟管理，而BCCU/BPMU则专注于PXA310 Application子系统（包括X-Scale Core和SRAM Arrays）的电源和时钟管理，这为和其他通讯协处理器（如GSM基带处理器）配合工作保留了架构上的空间，便于未来的扩展和集成。

依据MPMU的工作状态，系统可以分为S0//S2/S3/S4四种工作状态(S1未定义)，而依据BMPU所管辖的Application子系统的工作状态又可以细分为D0/D1/D2/D3/D4五种子状态。X-Scale核的状态称为C States。由他们的不同排列组合,系统可以有许多种具体的工作状态，比如：S0/D1/C1等。具体的定义可以参见PXA310的Datasheet,下面2幅图概括了几种状态的转换和包容关系。

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图1 MPMU和BPMU的工作状态

图2 Application子系统工作状态

PXA310的电源管理单元是通过控制外部的供电单元和内部的电压域/时钟域，来实现以上的工作状态和功耗控制的。每个外部供电支路在芯片内部都有电压检测电路，便于检测和判断。

由以上介绍可知，PXA310系统有一套复杂的功耗控制系统，主要是通过对供电电压和时钟频率（这是决定CMOS工艺电路功耗的主要因数）的控制来实现的，以期使电池的续航能力最大化，这也是其能在手持式终端上使用的先决条件。

这同时也对外部的电源管理芯片提出了较高的要求，电源管理芯片除了能提供多路DC/DC,LDO输出外，还必须对MPMU输出的几路控制信号SYS_EN,PWR_EN和电源系统专用I2C做出响应，开启关闭相应的外部供电支路，以及动态调整某些供电支路的电压。业界某些电源芯片大厂已经推出了支持PXA310系统的电源管理芯片，如National Semiconductor的LP3972和Maxim的MAX8661。

2．PMU部分电路的设计

下面以LP3972为例，介绍电源系统的设计。

图3 LP3972的信号示意图

LP3972可以输出6路LDO和3路DC/DC电压，可以完全满足系统各供电支路的需求。依据其对SYS_EN，PWR_EN信号的响应，可以分为2组。

一组称为Low Voltage Domain,包括：LDO5,DC/DC1,主要给Application子系统供电。

另外一组称为High Voltage Domain,包括：LDO1-4,DC/DC2-3,主要给除Application子系统外的其他模块供电。上电复位后PXA310通过拉高PWR_EN，SYS_EN两路信号，依次打开两组外部供电支路，完成整个系统的上电。下图是整个系统的上电时序示意图：

图4 PXA310系统上电时序图

LDO_RTC由于给系统32K时钟电路部份供电，不受这两个信号的影响，只要主电池和备用电池有电，就一直有输出。

以上是系统上电复位后对PMU的硬件控制，软件运行后，还可以通过Power I2C对各路电压实施软件控制，控制其通断及电压的动态调整。控制关系见下图：

图5 LP3972各路供电对PXA310控制信号的响应

LP3972内部集成备用电池充电电路，但是没有主电池的充电电路，因此在终端应用上需要自选Li+电池充电管理芯片。

下面是M-Stone公司设计的PXA310核心系统的电源部分原理图：

电源的设计重点是去耦和充裕的供电能力，因为供电能力裕度不够的话，也会导致严重的EMI问题并影响系统稳定性。

PXA310本身的功耗不是很大，Marvell给出的数据是在CPU执行QVGA尺寸H.264影片解码的时候平均功耗300多毫瓦。因此对于电源的主供电部分，比如PMU的3路DC/DC，可能很多人会认为<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />1A的功耗设计已经完全足够了。可是我们的试验结果是，当采用Murata 1.5A负载能力的功率绕线电感的时候，如果让PXA310全速运行，偶尔会出现死机的现象。而当采用2.5A负载能力的TDK功率绕线电感时，长期运行负荷极大的H.264解码程序也从会出现过死机现象。当然，系统的稳定不是一个电感就能决定的，但是，即使是一个小小的电感，也能让系统变得不稳定。