基于TPS65217C的Cortex-A8 AM335x芯片電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王曉君， 曹文沛

(河北科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,河北 石家莊 050018)

0 引 言

隨著ARM相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)電源系統(tǒng)的要求也不斷提高。多種類、大功率、可編程、可電池管理、可上電順序控制和具備一定的智能邏輯交互能力等要求成為電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要研究方面。針對(duì)不同的設(shè)計(jì)要求，電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也變得越來(lái)越復(fù)雜。與之前的電源芯片相比，不斷開(kāi)發(fā)的ARM芯片對(duì)其專用的電源芯片也提出了新的要求。對(duì)此，引入了集成電源管理電路(Power Management IC)這個(gè)概念。PMIC是一種高集成的、針對(duì)便攜式應(yīng)用的電源管理方案，即將傳統(tǒng)分立的若干類電源管理芯片，如低壓降穩(wěn)壓器(LDO)、DC/DC轉(zhuǎn)換器，都集成到電源管理單元(Power Management Unit)中，這樣可實(shí)現(xiàn)更高的電源轉(zhuǎn)換效率和更低功耗，及更少的組件數(shù)以適應(yīng)縮小的板級(jí)空間，成本更低。本文中介紹的TPS65217C芯片就是基于PMIC的電源管理芯片，在下面將詳細(xì)介紹TPS65217C芯片的相關(guān)內(nèi)容。

1 AM335x電源需求分析

AM335x芯片中不同的模塊有著不同的供電需求，其中各個(gè)引腳對(duì)電源的要求已經(jīng)在表1中按所需電壓值的不同詳細(xì)地進(jìn)行了分類[1]。

表1 電源引腳對(duì)電壓電流的要求

在運(yùn)行過(guò)程中如果要實(shí)時(shí)地改變供電電壓，可在軟件編程后通過(guò)I2C總線由ARM進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。AM335x芯片提供了Operating Performance Point (OPP)功能，在不同的模式下，系統(tǒng)的主頻不一樣，運(yùn)行速度不同，對(duì)VDD_MPU,VDD_CORE的電壓需求也不一樣。芯片支持的所有頻率與電壓組合的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示[2]。上電過(guò)程中需要ARM與電源芯片之間有一定的配合。

表2 不同OPP模式下頻率與電壓組合的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 基于TPS65217C的供電電源設(shè)計(jì)

2.1 性能特點(diǎn)

TPS65217C是一款單芯片電源管理類集成電路(PMIC)[3]，這款芯片可為便攜式系統(tǒng)與5 V非便攜式系統(tǒng)的AM335x系列應(yīng)用處理器供電。此系統(tǒng)具有雙輸入電源路徑，可由USB端口、5 V交流適配器或者鋰離子電池的任意組合供電。三個(gè)高效2.25 MHz降壓轉(zhuǎn)換器分別為系統(tǒng)提供內(nèi)核電壓、存儲(chǔ)器電壓和I/O電壓,并提供了單節(jié)線性鋰離子電池充電器，其最大充電電流為700 mA,具有耐壓高達(dá)20 V的USB輸入與交流輸入，并提供了溫度調(diào)節(jié)功能、安全定時(shí)器與溫度感測(cè)輸入。芯片可以靈活地控制上電和斷電的順序，并提供了一些輔助功能來(lái)保護(hù)電池，比如欠壓閉鎖、電池故障比較器、常開(kāi)按鈕監(jiān)視器和硬件復(fù)位,且設(shè)有電源指示燈，一旦上電加載完成，這個(gè)指示燈就會(huì)亮。LED燈閃爍則TPS65217C開(kāi)始上電，當(dāng)遇到問(wèn)題時(shí)LED指示燈關(guān)閉。

2.2 電路連接

TPS65217C與AM335x之間電源線與模數(shù)信號(hào)的連接方法如圖1所示[5]。

2.3 芯片內(nèi)部工作原理

TPS65217C采用了48引腳，6 mm×6 mm×1 mm方形扁平無(wú)引腳封裝(QFN)。TPS65217C具有集成開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Integrated Switching FETs)的三個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器(DC/DC)、四個(gè)低壓差穩(wěn)壓器(LDO)、一個(gè)數(shù)據(jù)選擇器(MUX)和一個(gè)白色發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器(WLED Driver)[4]。

圖1 TPS65217C與AM335x連接圖

其中DC/DC為PWM/PFM轉(zhuǎn)換型，在中度到重負(fù)載電流時(shí)為固定頻率脈寬調(diào)制(PWM)，在輕負(fù)載電流時(shí)變換器自動(dòng)進(jìn)入省電模式并使用脈沖頻率調(diào)制(PFM)。LDO1和LDO2支持系統(tǒng)待機(jī)模式，睡眠(SLEEP)狀態(tài)時(shí)，輸出電流被限制在1 mA以減少靜態(tài)電流，而在正常模式下，它們可以支持高達(dá)100 mA的電流。LDO3和LDO4可以支持高達(dá)200 mA的電流并可被配置為負(fù)載開(kāi)關(guān)而不是穩(wěn)壓器。4個(gè)LDO都有寬泛的輸入電壓范圍，所以它們能夠由一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器供電或者由系統(tǒng)電壓節(jié)點(diǎn)供電。在默認(rèn)情況下，只有LDO1一直打開(kāi)(ON)，但是任何一個(gè)都可令其保持在睡眠狀態(tài)。特別是DC/DC轉(zhuǎn)換器可保持低功耗PFM模式以支持處理器休眠模式。

芯片還具有白光二極管驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)部可以生成用于亮度調(diào)控的脈寬調(diào)制(PWM)，可以25 mA驅(qū)動(dòng)2×10個(gè)LED或50 mA驅(qū)動(dòng)10個(gè)LED,其中包含了一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器與兩個(gè)電流源，這兩個(gè)電流源需要一起控制，不能獨(dú)立運(yùn)行，電流大小可以通過(guò)兩個(gè)外加電阻進(jìn)行控制。

2.4 上電時(shí)序

TPS65217C芯片有默認(rèn)的上電與斷電時(shí)序，也可通過(guò)AM3354處理器中I2C0口控制TPS65217C內(nèi)的寄存器定義專門(mén)的時(shí)序，圖2所示的時(shí)序是專門(mén)為AM335x處理器優(yōu)化后的上電時(shí)序，而斷電時(shí)序與上電時(shí)序正好相反[6]。每個(gè)輸出都按照使能的順序改變電平，兩個(gè)跳變沿之間的延遲時(shí)間的可選擇范圍為1 ms到10 ms。

圖2 TPS65217C上電時(shí)序

2.5 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

此款芯片支持幾種不同的狀態(tài)，比如關(guān)閉狀態(tài)(OFF)、運(yùn)行狀態(tài)(ACTIVE)、休眠狀態(tài)(SLEEP)、復(fù)位狀態(tài)(RESET)[7]。

在關(guān)閉模式下，PMIC完全關(guān)閉，除了幾個(gè)電路監(jiān)視AC、USB和按鈕輸入，所有電壓都關(guān)閉。寄存器復(fù)位為默認(rèn)值，I2C通信接口關(guān)閉。要進(jìn)入OFF狀態(tài)，需要將STATUS寄存器中的OFF位設(shè)置為1，然后將PWR_EN引腳拉低。要退出OFF狀態(tài)，必須發(fā)生以下喚醒事件：PB_IN置低或AC上電或USB上電。在正常操作中，OFF狀態(tài)只能從ACTIVE狀態(tài)進(jìn)入。每當(dāng)在運(yùn)行期間發(fā)生故障(例如熱關(guān)斷，電源良好故障，欠壓鎖定或PWR_EN引腳超時(shí))時(shí)，所有電壓都將關(guān)閉，器件進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)。器件保持在OFF狀態(tài)，直到故障消除并發(fā)生新的上電事件為止[8]。

在ACTIVE狀態(tài)所有元件均可工作，并可通過(guò)I2C接口進(jìn)行控制。僅當(dāng)主機(jī)在喚醒事件后5 s內(nèi)響應(yīng)PWR_EN引腳時(shí)，器件才會(huì)進(jìn)入ACTIVE狀態(tài)，否則將進(jìn)入OFF狀態(tài)。也可以通過(guò)將PWR_EN引腳拉高，直接從SLEEP狀態(tài)進(jìn)入ACTIVE狀態(tài)。如果要退出ACTIVE模式，需要將PWR_EN引腳拉低。

TPS65217C可以通過(guò)將nRESET引腳拉低或?qū)B_IN引腳保持為低電平超過(guò)8 s來(lái)復(fù)位。所有通路關(guān)閉，所有寄存器值都復(fù)位為默認(rèn)值。復(fù)位引腳保持低電平時(shí)設(shè)備會(huì)保持此狀態(tài)，nRESET引腳必須為高電平才能退出復(fù)位狀態(tài)。但是，器件在返回到ACTIVE狀態(tài)之前，將保持RESET狀態(tài)至少1 s。RESET功能會(huì)對(duì)設(shè)備進(jìn)行重新上電，并且臨時(shí)關(guān)閉輸出通路。如果PB_IN引腳長(zhǎng)時(shí)間保持低電平，器件將持續(xù)在ACTIVE和RESET狀態(tài)之間循環(huán)，每8 s進(jìn)入一次RESET狀態(tài)[9]。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合AM335x芯片的使用需求，詳細(xì)地介紹了TPS65217C芯片具有的電源管理功能和對(duì)AM335x芯片良好的支持，基于TPS65217C的AM335x芯片電源系統(tǒng)可編程、可管理、可控制，符合AM335x芯片對(duì)供電的要求，可以很好地支持AM335x芯片使用時(shí)對(duì)電源的的各種需求，具有很高的使用價(jià)值。