电源管理芯片的低功耗OMAP系统设计

    数字电源实现了数字和模拟技术的融合，具有很强的适应性和灵活性，具备直接监视、处理及适应系统条件的能力。数字电源还可通过远程诊断确保持续的系统可靠性，实现故障管理、过压过流保护、自动冗余等功能。但是数字电源不比传统的模拟电源效率更高，而且成本一般较高。目前数字电源需要大滤波器，这使其工作效率比模拟电源低。

    本文介绍一种在嵌入式数字信号处理器(DSP)OMAP5912上使用简单的数字电源实现系统低功耗设计的方法。使用TI公司的电源转换和电压监控芯片TPS65010实现对DSP系统各种状态的检测。在不同状态下输出不同的供电电压，减小供电电流，实现整个系统的低功耗运行。该设计方法适用于各种低功耗要求的手持电子设备。

1 TPS65010和OMAP5912
    TPS65010是TI公司推出的一款针对锂离子供电系统的电源和电池管理芯片。TPS65010集成了2个开关电源转换器Vmain和Vcore、2个低压差电源转换器LD01和LDO2以及1个单体锂离子电池充电器，非常适合手持电子设备的应用要求。当12 V直流电源适配器接通时，芯片无需开关电路。在实际使用中，Vmain可以提供2．5～3．3 V电压，Vcore可以提供O．8～1．6 V电压，LD01和LDO2可以提供1．8～6．5 V电压。各个不同电压下的电流一般可以达到400 mA，满足大部分手持设备的需求。可以通过I2C总线对TPS65010的各种寄存器进行设置，也可以通过通用的引脚将重要的信息通知TPS65010，例如可以通过LOW_POWER引脚使TPS65010输出低功耗模式下的工作电压。
    OMAP5912是TI公司推出的嵌入式DSP，具有双处理器结构，片内集成ARM和C55系列DSP处理器。TI925T处理器基于ARM9核，用于控制外围设备。DSP基于TMS320C55X核，用于数据和信号处理，提供1个40位和1个16位的算术逻辑单元(ALU)。由于DSP采用了双ALU结构，大部分指令可以并行运行，工作频率达到150 MHz，并且功耗更低。C55和ARM可以联合仿真，也可以单独仿真。
    OMAP5912内部专门配置了超低功率设备(Ultra Low Power Device，ULPD)。ULPD模块内部结构如图1所示。

    从图1可以看出，ULPD模块主要由复位管理器、FIQ管理器以及睡眠模式状态机组成。片内ULPD和OMAP5912芯片内部的复位产生模块以及芯片IDLE和唤醒状态控制器相连接。片外ULPD的复位管理器负责检测上电复位和手动复位，并将片内的复位信号输出；FIQ管理器专门用于检测电池电压，一旦出现电池电压低于或高于系统要求，或者电池电源质量不高(纹波较大、过冲较大、瞬间脉冲较大)等，FIQ管理器将中断系统工作；睡眠模式状态机负责检测和输出不同的工作方式，在不同的工作方式下将提供不同的电压和电流，从而降低系统功耗。共有3种睡眠模式：正常工作模式、Big Sleep模式和Deep Sleep模式。

2 系统硬件结构
    较完整的手持设备系统主要由OMAP5912、TPS6501O、AD／DA、LCD、SDRAM、人机接口以及Flash组成。其硬件连接如图2所示。图中，DSP是核心控制单元；AD用于采集模拟信号，并将其转变成数字信号；DA将数字信号转换成模拟信号；人机接口主要包括键盘接口。Flash保存DSP所需的程序，供DSP上电调用。此外，使用DSP的HPI接口连接到PC机。

3 TPS65010和OMAP5912的硬件设计
    TPS65010和OMAP5912的连接是实现系统低功耗设计的关键，具体硬件连接如图3所示。TPS650lO可以提供OMAP5912所需的各种电压，但是核心运算单元需要的CVDDA以及重要外设需要的DVDD4由TPS7620l从Vmain电压转换得到。具体的TPS76201的硬件连接如图4所示。TPS7620l将Vmain的3．3V电压转换成1．6 V提供给OMAP，只要Vmain的电压不低于1．8 V，TPS76201都将稳定地输出1．6 V电压，以确保OMAP在任何情况下，即使是深度睡眠状态，核心运算单元和重要的外设都有稳定的电源保证。注意，如果不要求OMAP系统的低功 耗设计，CVDDA和 DVDD4可以直接连接到Vcore。

    TPS65010的Vcore输出1．6 V电压提供给OMAP的其他核，这些核电压在低功耗状态下均可以降低到1．1 V。TPS65010的VLDO1和VLDO2输出2．75V电压提供给OMAP的其他外设，这些电压和常规的3．3 V存在一定的电压差，但不影响数据传输。一般情况下，高电平只要达到2 V以上就可以了；低功耗状态下，VLDO1和VLDO2都降低到1．1 V。使用2个LDO给不同的外设提供电压，是为了在Big Sleep状态下关闭某些外设并同时能够使能其他外设。如果不进行低功耗设计，可以使用同一个LDO提供电压。
    TPS65010的I2C总线连接到OMAP，便于OMAP对TPS65010的寄存器进行设置。TPS65010的RESPWRON引脚连接到OMAP的Power_Reset引脚，上电复位后由TPS65010复位OMAP；TPS65010的LOWPWR引脚连接到OMAP的LOW_PWR引脚，OMAP进入低功耗状态由该引脚通知TPS65010，TPS65010将设定的各种电压降低，从而降低系统功耗。

4 OMAP5912的低功耗软件设计
    OMAP5912有3种工作模式，分别为正常工作模式、Big Sleep模式和Deep Sleep模式。正常工作模式下，使能所有的内部时钟和外部时钟以及引脚，此时系统功耗最大，TPS650lO也按照正常工作方式供电。低功耗模式下，随时判断是否有芯片IDLE请求，如果有则进入Big Sleep模式。在Big Sleep模式下，进一步判断是否有外部时钟请求，并根据情况进入Deep Sleep模式。具体的软件流程见本刊网站www．mesnet．com．cn。
    在系统正常工作方式下，如果不需要进行低功耗设计，以上软件无需加入到应用程序中。进行低功耗设计时，就需要对OMAP的各种工作状态进行判断，要在应用程序中加入LOW_PWR信号使能、关闭DSP核、激活并设置唤醒事件、关闭ARM核、激活并设置深度睡眠等软件代码。

5 总 结
    本文详细介绍了基于TPS65010和OMAP5912的低功耗系统设计。使用TPS65010的多个电源输出引脚给OMAP的不同单元供电，以便在OMAP的不同工作模式下改变电压输出，降低系统功耗。OMAP根据自身的软件运行情况，随时调整工作模式，并通知TPS65010，使得软件和硬件在低功耗设计上得到互通。该设计方法适用于各种对功耗要求较高的电子设备。