S3C2440A嵌入式手持終端電源管理系統(tǒng)設計

電源管理(Power Management，PM)是電子系統(tǒng)中必不可少的技術。由于采用了先進的電源管理技術，移動電話、PDA等產品得到了廣泛的應用。如果不采用完善的電源管理技術，移動電話的通話時間可能不超過2 min。隨著人們對嵌入式手持終端設備功能水平要求的不斷提高，手持終端的功耗也在不斷增高。與之相矛盾的是，手持終端的尺寸卻在不斷縮小，工作時間也在不斷延長，使嵌入式手持終端電源系統(tǒng)管理面臨越來越大的壓力。如何設計出性能穩(wěn)定、功耗低的電源管理系統(tǒng)已經成為嵌入式手持終端設備開發(fā)的難點之一。本文重點介紹基于微處理器S3C2440A的手持終端電源管理系統(tǒng)。

1 供電需求

手持終端的CPU采用三星公司的ARM920T內核處理器S3C2440A。S3C2440A是專門為各類手持終端而設計的高性能嵌入式微處理器，主頻可達400 MHz，具有外圍接口豐富、體積小、功耗低等特點。

S3C2440A有4種工作模式：正常模式、慢模式、空閑模式、睡眠模式。4種模式之間可以相互轉換，區(qū)別主要在于處理器工作頻率、工作電壓和設備組合的不同。本設計中主要針對正常模式和睡眠模式采用不同的電源管理策略。

1．1 正常模式下供電需求

在正常模式下，CPU以及外圍部件都需要供電。外圍部件主要包括Flash、SDRAM、GPRS、GPS、無線模塊、LCD、觸摸屏等部分。硬件結構如圖1所示。



CPU電壓分為2組：核心電壓為1．2 V；I／O引腳電壓為3．3 V。USB和GPS供電電壓為5 V。LCD的供電電路比較復雜，需要專用的驅動芯片為其供電。由于現(xiàn)在幾乎所有的手持終端都是彩屏，作為調節(jié)LCD背光亮度的LED也需專門的驅動電路。其余部分(如GPRS、無線模塊、音頻等)都為3．3 V。

1．2 休眠模式下供電需求

CPU 90％以上的時間處于休眠模式，休眠狀態(tài)下電源管理的好壞對于手持終端工作時間的長短起著決定性作用。圖2是手持終端在休眠模式下供電需求。



休眠模式下，外部需要通過VDDalive端口為CPU內部能量控制模塊提供1．2 v／1．3 V電壓，為存儲器接口電源VDDMOP、ADC端口電源VDD_ADC、I／O端口電源VDDOP提供3．3 V電壓。實時時鐘需要在休眠模式和系統(tǒng)關機時依然對其供電。PWREN為控制信號，在CPU進入睡眠后，PWREN為低電平，可通過此引腳關閉睡眠模式下不使用的模塊。

2 電源管理策略

2．1 正常模式下電源管理策略

正常模式下的電源管理主要是通過控制外設控制器的開關來達到節(jié)約能量的目的。S3C2440A外設接口控制器豐富，但這些控制器不一定同時都用到。通過設置寄存器可以有選擇地關閉不需要的功能模塊，盡量將不使用的控制器關閉，盡可能節(jié)省功耗。因為如果不將其關閉，即使它們沒有處于工作狀態(tài)，仍然會消耗電流。

2．2 休眠模式下電源管理策略

休眠模式下，主要采用Time-out策略，如圖3所示。系統(tǒng)完成所有任務后，如果持續(xù)時間超過某一閾值(該時間間隔可由系統(tǒng)提供的計時模塊設定)，電源管理模塊將系統(tǒng)轉換至休眠狀態(tài)，直到有新任務請求到達時再喚醒系統(tǒng)，則執(zhí)行任務。通過這種方式達到降低系統(tǒng)設備功耗的目的。



3 電源管理系統(tǒng)設計

3．1 硬件設計

嵌入式手持終端電源管理系統(tǒng)硬件設計必須同時滿足CPU正常模式和休眠模式的供電需求。

3．1．1 休眠模式下供電電路

休眠模式下供電電路如圖4所示。電池的電源經過Buck變換器后，輸出3．3 V供給I／O、VDDalive等端口；3．3 V經過LDO變換器輸出1．2 V，為休眠時CPU內部能量管理模塊供電。電池電壓經過LDO變換器輸出3．3 V，直接給實時時鐘RTC供電，只要手持終端電池電壓大于3．3 V，系統(tǒng)RTC就會工作。使用LDO變換器為RTC供電是因為輸入、輸出電壓差別不大，效率較高。但是，CPU的1．2 V電壓通過Buck變換器和LDO變換器得到，LDO的效率雖然不到50％，但比Buck變換器高。



3．1．2 正常模式下供電電路

正常模式下供電電路如圖5所示。從圖中可看出，電路共包括3個子模塊：電池管理、電壓管理和負載管理。



電池管理：主要由鋰離子充電電路和充電監(jiān)控電路組成。外接直流電源通過充電電路為鋰離子充電電池充電，充電完畢后充電電路自動關閉充電。

電壓管理：所有在睡眠模式下不需要提供電源的模塊，其電源供應都必須通過休眠控制部分進行控制，在系統(tǒng)休眠時關閉各個不使用模塊的電源。所有在休眠模式下需要供電的模塊均不通過休眠控制，直接通過電池電壓變換后供電，或者通過主電源直接或間接變換得到。負載管理：在不使用模塊時，通過GPIO口關閉可降低功耗。

3．2 軟件設計

為了實現(xiàn)節(jié)能，電源管理系統(tǒng)必須通過軟件控制系統(tǒng)的功耗。

3．2．1 總體架構

電源管理系統(tǒng)軟件整體架構如圖6所示。



電源管理軟件設計可分為：操作系統(tǒng)層和應用層。

(1)操作系統(tǒng)層

電源管理的功能執(zhí)行層，它管理系統(tǒng)中的各個部件(包括處理器和所有外設)，并對具體的電源管理動作進行封裝。操作系統(tǒng)層的電源管理有3方面內容。

①處理器電源管理：執(zhí)行由處理器完成的電源管理任務。包括以下3方面：

◆DVS。動態(tài)核電壓和頻率調整，以及系統(tǒng)總線的頻率調整。

◆模式管理。系統(tǒng)運行模式管理，實現(xiàn)系統(tǒng)運行模式的切換，如休眠喚醒、空閑忙碌等功能。

◆RTC。系統(tǒng)時鐘和RTC時鐘的維護等。

②電池管理：監(jiān)測電池電量，響應電池狀態(tài)的變化(充放電)。

③設備電源管理：包括系統(tǒng)中的所有設備。在系統(tǒng)睡眠喚醒時，每一個設備都需要配合系統(tǒng)的動作進行休眠喚醒。如果設備在系統(tǒng)要休眠時處于忙碌狀態(tài)，它可以拒絕系統(tǒng)的休眠要求，從而阻止整個系統(tǒng)進入休眠。

(2)應用層

最上層，實現(xiàn)系統(tǒng)的電源管理策略。電源管理策略與操作系統(tǒng)層進行交互，從操作系統(tǒng)層獲得系統(tǒng)的狀態(tài)信息，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)采取相應措施，并將自己的決定通知操作系統(tǒng)，調用相應功能接口執(zhí)行電源管理。

為了降低策略實現(xiàn)的復雜度，增強策略調整的靈活性，電源管理策略主要在應用層，利用QTopia的事件管理和定時器功能來實現(xiàn)。電源管理應用程序位于系統(tǒng)的最上端，直接與用戶進行交互，用戶可以在這些應用程序中對電源管理策略進行配置。這些應用程序包括電池管理程序、背光調整程序、超時時間設定程序、開關機程序等。本文只介紹電池管理程序的實現(xiàn)。?

3．2．2 電池管理程序實現(xiàn)

鋰離子電池檢測與充電保護電路芯片采用DS2760。CPU通過DS2760的DQ引腳讀取內部寄存器的數(shù)據(jù)，獲得電池的運行狀態(tài)，以便上層的應用程序對電池進行管理。底層驅動程序主要實現(xiàn)設備的注冊等功能。上層應用程序主要包括ds2760．c和Qtopia圖形界面程序light-and-power。ds2760．c主要完成電池電壓、電流的讀寫。例如讀電壓由函數(shù)Read_Voltage完成，代碼如下：



light_and_power程序完成圖形界面的電源管理應用于。程序流程如圖7所示。



4 系統(tǒng)功耗測試

系統(tǒng)功耗的高低代表系統(tǒng)運行時間和待機時間的長短，反映電源管理系統(tǒng)性能的高低。為了評估手持終端整體功耗以及各個主要模塊的功耗，需要對系統(tǒng)在不同負載情況下的電池輸出電流進行測量。表1是系統(tǒng)正常模式、在不同模塊配置下的鋰離子電池供電電流值實測數(shù)據(jù)。內部電池供電為負值。



結論：正常情況下，如果所有模塊都開啟，手持終端整體功耗電流約為0．496 A，基本滿足設計的要求。LCD、GPS、GPRS三個部分約占總功耗的52．6％。

結 語

本文以實現(xiàn)功耗低、體積小、性能穩(wěn)定的嵌入式手持終端電源管理系統(tǒng)為目標，設計了基于S3C2440A的嵌入式手持終端電源管理系統(tǒng)，對于其他嵌入式手持終端電源管理系統(tǒng)的設計具有一定的參考價值。