低电压/低功耗的可编程片上系统为嵌入式系统提供了灵活的电源管理

为什么要关心电源管理？

由于多种因素，电源管理正变得非常重要。对于移动手持嵌入式系统来说，总是存在着在增加电池寿命的同时要提供更多功能的压力。当电池本身无法提高却需要达到此要求时，提供更低功耗更好性能的芯片的压力就落在了芯片供应商的身上。同时为了满足缩短设计周期加速上市的要求，就需要提供更低功耗的灵活的可编程的器件。而且，绿色运动要求减少电池废品，这个要求对于嵌入式系统来说就转化为要进行更少的电池更换。同样，全球的政府法规（例如：能源之星）也要求减小电器设备中的待机电流。下一代嵌入式系统将需要在工作和睡眠模式下都具有极端低的功耗，而且为满足上市时间要求所必需的灵活性和可编程性也同时需要得到提高。

除了更小的电流消耗之外，这里同样也需要更低的系统电压。几年前，最小标准工作电压是3.3伏特。目前，最小标准工作电压是1.8伏特。将这一趋势图表化后，未来器件的最小标准工作电压趋势会延伸至亚伏特范围，这将会成为一个现实。这使得用一个单节的AA或AAA电池来构造基于SoC的设计得以实现（电池的电压寿命大约终止于0.9伏特）。尽管目前一些基于SoC的设计能在1.8伏特下运行，但是更经常的是其模拟性能会在这样低的电压下降低。对于要求良好模拟性能的手持电池供电设计来说，能够在低于1伏特下运行且依旧满足模拟性能要求，可以可以使用一个单节的AA或AAA电池供电。这个对于客户来说就是可以需要更少的电池从而降低成本。

如何实现亚伏特的运行？

当嵌入式SoC器件有一个内置的升压转换器，这个内置的升压转换器可以将输入电压（如0.9伏特输入电压）升至一个更高的系统电压级（如3.3伏特），这时能够实现亚伏特运行。在此模式下，重要的是来自升压转换器的噪声不会影响模拟外围设备的性能。图1显示了一个集成的升压转换器系统级的连接情况，这个集成的升压转换器是来自赛普拉斯半导体的一个PSoC 3可编程片上系统芯片的一部分。



图1一个外部低电压升至一个内部更高电压的系统级连接情况

具有能够接受亚伏特输入电压的一个集成升压转换器有以下优点：

1.能够通过一个单节AA或AAA电池来使系统工作
2.即使使用一个变化的电源电压也能够提供一个最低保证系统电压
3.能够使用升高的输出电压来运行系统中需要更高电压的其他电路。例如：LCD，传感器电路等。

宽的电源电压范围：

一个从1.8伏特（0.9伏特即可激活升压）横跨至5.5伏特的宽电压范围可以给用户提供最大的灵活性，原因如下：

1.正如表1所示，对于最常见的电池来说，能够从标准电池电压横跨至其寿命电压的终点
2.兼容3.3伏特和5伏特的传统系统电压
3.5.5伏特的上限为来自传统系统的信号轨至轨的测量提供了5伏特以上的宽裕度。

通过在器件内部提供内置的低压差线性稳压器能够提供宽范围的外部电源电压，这个宽范围的外部电源电压可以为芯片保持一个稳定的低核心电压。而且数字域和模拟域都具有分开独立的内部稳压器可以确保模拟性能不会受到来自数字电源轨噪声的损害。图2 显示了系统级连接情况和可容纳一个宽电源电压范围的内部稳压器。



图2 内部稳压器的系统级连接情况

在图2中，当内置的模拟和数字稳压器能够确保内核依旧运行在一个稳定的低电压下时，Vddd和Vdda能够从1.71伏特变化至5.5伏特。如果采取了适当的设计，此系统同样也可确保在整个电源电压范围内都具有相同的模拟性能。

I/O组的独立电源

为了允许连接系统中可能具有不同系统电压的其他器件，一个SoC需要具有分开独立的I/O电源，这些I/O电源能够被独立设置为具有一个宽电压范围内的任何电压。正如图3所示，一个具有4个I/O组的SoC，其中每个I/O组都能够被从1.8伏特至5伏特范围内的任何电压驱动，可以提供与PCB上其他器件的无缝连接。



图3 每个I/O组的独立电源电压可以提供与可能运行在不同电压下器件的无缝连接

灵活的电源模式

当可编程系统低耗电性依旧是个神话时，深思熟虑后产生的可编程的SoC已经能够拥有世界一流的电流，可与独立的MCU相匹配。牢记最终客户的应用，表2中显示了合乎需要的电源模式以及它们的电流。

在用户主动使用表1中显示的工作模式时，它是系统正常运行的模式。一个可编程的SoC将允许在此模式下选择性地禁用不需要的外围设备。

在交替工作模式下，所选定的较少数量的外围设备会有效工作。这提供了一个降低功耗的工作模式，能够从正常的工作模式进入此模式。一旦从此模式中退出，系统就会返回正常工作模式。对此可以举一个例子，如对于一个带显示器的嵌入式系统，可以在单独关断显示器的电源的同时，保持嵌入式系统依旧继续运行。当需要关断显示器时，系统将进入备用工作模式，其中将关断显示器所需要的外围设备的电源。

在电池供电的嵌入式系统中通常会使用到睡眠模式。这是一个极端低功耗的模式，其中所有的外围设备都处于低功耗状态，然而会保持一个实时时钟。此模式同样也用于需要经常在工作和睡眠模式之间循环运行的系统中。对此可以举一个例子，如一个温度传感器，它每分钟都需要更新其读数。系统会在每分钟被唤醒，读取数再返回睡眠模式。其结果会降低平均功耗。

休眠是器件的最低功耗模式，此模式下依旧能够保持存储器中的内容和配置情况。它能够从一个I/O源就唤醒器件，这也给用户或系统中另外的器件提供了唤醒器件的能力。休眠模式同样也能够用于消除一个手持器件中使用电源开关的需要（既然按下任何按钮都能够唤醒器件）。

结论

可编程的片上系统(PSoC)可提供高的集成度，且通过使用一个可高效配置和编程的系统可同时提供给用户建立起他们自己定制的外围设备的能力。精心设计的可编程的SoC能够提供世界一流的电源管理功能，它不仅能够满足MCU的电量要求而且同样也可提供一种可配置的电源管理系统，这种可配置的电源管理系统同样能够提供精确的模拟性能。

赛普拉斯半导体的PSoC 3 和PSoC 5系列是现场可编程的嵌入式SoC，它具有可编程的数字模块和可配置的模拟模块。设计这些器件能给用户提供最大可能的灵活性和可编程性，同时又消耗非常少的睡眠电流和工作电流。它同样也提供精确的模拟性能（16位至20位的精度）。PSoC Creator是一个集成开发环境软件，能够用于对PSoC 3 和 PSoC 5系列进行从端至端的迅速地开发设计，这包括器件选择，给数字和模拟外围设备进行配置/编程，配置电源系统，固件开发，调试和编程的全部过程。

关于作者

Palani Subbiah工作在赛普拉斯半导体公司的CCD部门，任系统工程主管。他拥有密苏里大学罗拉分校的MSEE学位，密苏里大学罗拉分校后改名为密苏里州立科技大学。他从印度泰米尔纳德邦的斯里范卡蒂斯瓦拉工程学院的电子与通信工程系毕业，获得工学学士学位。