如何选择嵌入式处理器及其电源管理解决方案

在任何嵌入式控制应用中，所有数据处理的核心部件是微控制器、微处理器或FPGA。要满足众多终端设备对存储、功耗、系统电路板大小以及成本等的要求，这些核心器件的架构都要求具备高度的控制、连接和安全特性。然而，这些数据处理核心部件需要先进的电源管理系统以及许多开关和线性降压(LDO)稳压器提供强大的支持，因此对系统设计师而言一个最重要的问题就是选择电源管理架构。本文将讨论如何克服各种嵌入式系统目前面临的电源管理挑战，并演示数字设计工程师如何利用在线嵌入式开发网站来协助决策，以更加从容地为大量嵌入式控制器和处理器遴选合适的电源管理和信号路径产品。

目前的电源管理设计挑战

当前的高效率开关和线性稳压器可以提供较大的输出电流、较宽的输出电压范围和较高的频率，不仅不需要使用外部补偿电路，而且允许使用更小的外部无源器件。用的无源器件越小越少，所需的电路板面积也就越小，材料成本也就越低。更低的R_dson特性意味着更低的传导损失和更高DC/DC转换效率,配合断电模式时很低的静态电流，最终将形成更智能的高能效电源管理系统PowerWise，进而支持目前许多嵌入式控制器/处理器产品业已具备的高级的节能技术。

系统设计师面临的众多挑战之一是：确保设计的方案能够一次性通过、所用的电源可以具备一定的“弹性”，足以支持今后系统的升级，而无需对电路板作重大的改动。处理任何最终设备中的电源、地和辐射噪声耦合问题以及电路板屏蔽问题都决非易事，许多数字设计师通常把这里问题视为“魔匣”。由此可以理解为何当前的大量电源设计都是直接去“拷贝、粘贴和复用”已被证明可用的先前设计。通常认为，需要折中考虑输入/输出电压范围和负载电流。当电源和控制器/处理器/FPGA之间的压差很大时，最好选用开关稳压器，因为它们的效率高，适合用于给处理内核和I/O供电。当输入输出电压差较小时，线性稳压器的效率更优，特别是在要求极低噪声和纹波电压时。图1对设计工程师在选择电源管理方案时要考虑的关键设计因素和系统要求作了总结。

图1：进行嵌入式系统电源管理设计时需要考虑的因素和系统要求。

利用Web资源协助设计嵌入式系统的电源管理解决方案

直到20世纪90年代末期，印刷版的产品选择器指南一直都是系统设计工程师获得详细产品信息的唯一来源。当时他们面临的挑战是通过比较多种产品、芯片规格和电子参数来寻找“最合适的”嵌入式控制器或处理器，而不考虑电源管理的要求。幸运的是，随着时间的推移，我们已经能够脱离那种繁重的工作，可以采用智能在线“搜索和比较”工具来完成相同的工作。

随着市场上大量嵌入式微控制器和处理器的出现，设计师在为特定的终端应用选择最佳解决方案时也面临很大的困难。不管制造商声称可以提供多高的MIPS和Drystones，对处理内核周边的外部要求一直存在争论。调查表明，寻找能够兼容开发实验室在用开发工具的合适微控制器/处理器需要花费许多时间。因此，现在设计工程师优选www.embeddeddeveloper.com 网站作为嵌入式控制器/处理器/FPGA在线搜索工具。该网站支持相关的软硬件开发工具，并提供高性能模拟产品的补充参考资料。

嵌入式开发者网站可以帮助设计工程师尽可能快速高效地开发可用的嵌入式解决方案。不同情形和不同用户一般需要不同的搜索选项，而经过适当设定的嵌入式开发者的“搜索与比较”引擎可以满足各种需求。例如，最终目标是纯处理性能，那么网站允许用户根据众多的行业标准对CPU的Dhrystone性能进行交叉比较。获得在所有主处理器的衍生产品之间或在32/6 位和6/16位处理器子集中进行搜索的能力是容易的，但关键在于它能缩小控制器、处理器、FPGA的搜索范围，从而只需很少几次点击就能完全匹配设计要求。搜索菜单的任意组合均能构成有效的搜索，可以先选择最重要的片上特性(如以太网、CAN、A/D等)，在不久前还增加了额外的重要参数，如定时器、闪存大小以及速度等级。一旦搜索完成，就可以用比较特性查看下一层细节，然后就能对众多的控制器/处理器/FPGA逐项进行比较。

当这一步完成后，接下来就是关注外部模拟和混合信号器件，它们也是整体系统的必要组成部分。这里，美国国家半导体推荐了一些实用的电源管理和信号路径产品。当这些产品确定好后，最后一步就是点击对应的制造商产品网页和相关的软硬件开发工具，同时可对美国国家半导体导体的模拟产品进行在线设计和原型分析。

在对嵌入式解决方案做出选择后，系统会推荐一些美国国家半导体的产品作为推荐的电源管理或信号路径配属解决方案。然而，如果设计工程师要求更多的设计细节或其它可选项，也可以通过美国国家半导体的WEBENCH在线仿真工具进行设计、优化和创建其它设计。在嵌入式开发者主页上的WEBENCH条上点击鼠标也能实现相同的功能，它可帮助设计工程师进行如下工作：
1. 进行选择：a.输入设计要求，也就是供电电压、供电电流和输出电压，如果目标值还没有确定，可以使用绝对最大额定值。b.可以选择由美国国家半导体公司推荐并经过实际验证的电源管理产品，它们可以与所选的嵌入式控制器很好地一起配合工作。或者选择其它推荐的产品。
2. 进行设计：a.对元件进行调整，测试工作值，如功耗、电流、偏移和漂移电压以及频率响应。b.调换模拟和无源器件以比较它们的性能、尺寸和成本。
3.进行分析：a.仿真电路，评估电磁干扰和散热性能。b.与以前创建的设计进行比较，以取得最优的性能。
4. 进行创建：a.下载自动生成的CAD文件和测试指令。b.申请样品，并购买器件/演示板。
5. 进行测试：执行板级测试，下载定制测试向量并根据虚拟结果验证实际电路板功能。

对系统设计师来说，既定嵌入式控制器/处理器/FPGA进行仿真电源设计并根据显示圆点图来检查元件波形和元件值的变化，都是很重要的能力。虚拟仿真的另外一个好处是，所有仿真都有历史记录，因此很容易根据以前的仿真记录来精确调整设计。虽然目前许多控制器的功耗都很小，但设计师还是很乐意认识WEBENCH功能，因为这些功能有助于定义散热问题，并能在特定负载和环境条件下输出彩色的PCB图。

[p] 为嵌入式系统提供优秀的PowerWise电源管理工具

来自飞思卡尔公司的MCF5475微控制器采用的是ColdFire V4e CPU，该CPU具有一个增强型乘法累加单元(EMAC)、一个存储管理单元(MMU)和一个双精度浮点单元(FPU)。MCF5475的工作速度可以高达266MHz或410MIPS(Dhrystone 2.1)。它集成有快速以太网控制器(FEC)、USB、UART、USART、IRDA、I²C和DMA SPI，因此可以提供真正的片上通信功能。另外，它在硬件上支持各种互联网安全标准。该产品是一种高性价比的系统解决方案，可适合许多应用，如工业路由器、高端POS终端、楼宇自动化系统以及工艺控制设备。

MCF5475对电源有三个要求，即对于高性能、低功率和内部内核逻辑单元提供1.5V，对于DDR SDRAM总线接口提供2.5V，对于其它所有I/O功能提供3.3V。对电源管理系统的上述需求，是确保MCF5475正常运行的关键。LM3671的开关频率很高(2MHz)，意味着所选的外部电感可以很小，加上仅有的两个小电容，因此电路板面积非常小，总的系统成本也有所降低。在全负载范围内，LM3671可以提供高达90%的效率和350mA的电流，在待机和工作状态它都有很高的效率，并且瞬态上冲、下冲可以忽略不计。通过一个使能引脚可以在微控制器处于断电或睡眠模式时关闭LM3671，此时它只消耗1uA的电流。这个特性对典型的嵌入式控制器来说非常有吸引力，因为它们有很大部分时间处于待机或低功率模式，对电池供电的设备来说优势更加明显。LM3671还支持低噪声PWM和低电流PFM模式之间的智能开关特性，因此特别适合给电池供电设备中的超低压电路供电。

LM3671还适合给使用单锂离子电池或3节镍氢、镍镉电池的超低压电路供电。由于它具有欠压锁止(UVLO)、过流和过温保护等功能，因此LM3671是给下列应用中的高性能处理器和嵌入式控制器供电的理想电源器件，这些应用包括条码扫描仪、POS终端、消费类电子、便携式医疗仪器、WLAN设备和便携式GPS系统等。

恩智浦半导体公司的LPC2468是围绕着一个16位/32位ARM7TDMI-S CPU内核设计的，该器件的工作速度可达72Mhz或6 Dhrystone MIPS。LPC2468内置512kB的片上高速闪存，可以执行32位ARM和16位Thumb指令，因此允许数字设计工程师在子例程级优化程序的性能或代码尺寸。LPC2468支持许多功率控制性能，包括空闲、睡眠和断电模式。CPU时钟可以通过重新配置PLL值和(或)改变CPU时钟分频值进行控制，可以根据应用要求权衡功率和处理速度的关系。另外，片上外设功率控制功能允许关闭到单个片上外设的时钟，通过消除程序暂时不用的所有外设的全部动态功耗可以精确优化器件的功耗。

LPC2468具有两个独立的电源域，大部分电路断电时仍可以同时保持实时时钟(RTC)和电池RAM的正常工作。I/O通过3.3V的Vdd引脚供电，Vdd(DCDC)引脚则给片上的DC/DC转换器供电，然后再由转换器给CPU内核及外设供电。由于需要考虑功耗，因此将Vdd和Vdd(DCDC)连接在一起是没有意义的。虽然这种方法只要求一个3.3V的电源，但这种方法存在固有的缺陷：无法在CPU和外设工作时“随时”单独关闭I/O电源。最佳的选择是使用两个电源，一个3.3V供给I/O(Vdd)，另一个3.3V专门给CPU(Vdd DCDC)。

要给Vdd和Vdd(DCDC)电轨供电，美国国家半导体的LP2966(双路超低降压稳压器)是很好的选择(图2)。这两个稳压器的输入电压范围是+2.7~+7.0V，在整个温度范围内可以提供150mA的输出，每个稳压器都可以被单独关闭。由于它具有特别低的静态电流(Iq Q1uA)和很低的压降，因此能够完全满足任何LPC24xx电池供电或便携式终端应用中的低功率要求。在断电期间，稳压器的所有主要功能都被关闭，当它被快速开启切换回来时不产生过多的过冲非常关键，因为过冲是设计师在处理如此低Iq值时经常要面临的挑战。正因为如此，LP2966在超低压降和超低静态电流方面已经成为行业标杆。LP2966每个输出都有宽范围的预置值可设，具有低噪声性能、低地脚电流以及采用特别小的MSOP-8封装的LP2966被认为是业界最先进的稳压器件。

图2：用于NXP的LPC2468嵌入式控制器的PowerWise电源管理解决方案。

要给Vdda(给内部ADC和DAC供电的模拟电源)和Vref(内部ADC和DAC的参考电压)供电，美国国家半导体的LP5900(超低噪声线性稳压器)是很好的选择。它能提供150mA的输出电流，可以为内部ADC和DAC提供非常纯净的电压参考(6.5uVrms)，从而实现绝对出色的转换精度。当然还有其它一些因素会影响Vref精度，如负载/线性调整、长期漂移(稳定性)和温度变化。虽然这些效应通常是次要的因素，但要使可接受的参考电压具有余量的话，必须将这些因素考虑进去。由于只需要两个陶瓷电容(0.47μF)，不需要用噪声旁路滤波器，因此可以显著节省电路板面积和成本。LP5900的输出噪声非常低，并且采用优秀的带隙设计，在1kHz点具有85dB的高电源纹波抑制比(PSRR)，因此对NXP控制器周边对噪声敏感的其它射频和无线设备(如给VCO供电)性能没有负面影响。

本文小结

尽管本文仅列举了一些美国国家半导体为嵌入式系统提供的几个PowerWise电源管理解决方案，但着重讲解了嵌入式控制器的选择方法以及相关的优化实用的电源管理解决方案。这些方法可以为数字设计工程师提供初始的基本实验框架。在嵌入式控制器、处理器和FPGA主流领域中，嵌入式开发者网站提供了目前最强大而且用户界面友好的在线数据库。它能根据非常精确和具体的标准实现特别精确的搜索，可以使数字设计工程师的搜索时间从小时减少到分钟。然而最大的好处是能够评估外部高性能模拟功能，允许数字领域外的系统集成商根据他们的特殊要求访问和仿真模拟部分的性能。而今，产品的快速上市(Time to market)策略尤其重要。因此，数字嵌入式系统设计师更快地一次性确定电源管理解决方案对任何终端产品来说都非常关键。

作者:Alan Hutton
美国国家半导体