为便携式设计选择最佳的电源管理接口

2004年5月B版

便携式系统的设计者要面对始终存在的新功能添加和功耗降低这两方面相互冲突的要求。一方面，用户需要手机能增加嵌入式摄像头、附加照明和蓝牙接口等新功能。而另一方面，他们希望便携式系统能连续工作一天以上而无需重新充电。为了让用户满意，设计者必须集成系统电源管理元件，这些元件将添加更高的智能和系统通信，以改善总的效率并延长系统运行时间。

对便携式系统的设计者来说，上述问题就意味着他们必须找出一种方法，将电源管理控制的新功能添加到设计中，而不至于增加电路板的复杂性。为了实现这一目标，他们必须限制电源管理器件所用的引脚数，同时扩展其产品的功能集，保证不将微控制器上的所有GPIO引脚用光。

多种选择

设计者可以增强其产品的功能，同时还满足功率和占用面积的目标，途径是利用各种电源管理功能的不同接口。他们可以从3种基本的接口类型中选出一种。从硬件和软件的角度看，最简单的办法就是并行总线。这种接口由独立的并行控制线构成，其最简化的和典型的形式是为每个电源元件的使能端提供一根GPIO线。

虽然并行总线非常有效，但在可扩展性方面存在一定的限制。首要的一点是，在所有的接口选择中，它需要占用的微控制器和外设引脚更多。此外，它需要占用比其他选择多得多的PCB面积，以布置各独立连接线，这在空间狭窄的便携式应用中是一个要着重考虑的因素。

最后一点，很多便携式应用系统设计，如开合式手机和PDA，使用柔性的印刷电路板将主板PCB与子板连接到一起。子板上的许多功能，如闪烁光和各种显示可能需要单独的控制线。但要在柔性PCB上完成大量的走线，会让成本大为增加，且对系统可靠性造成不利影响。

串行方法

另外一种流行的方法是采用串行总线来控制电源管理功能。普遍采用的串行接口，如I2C总线和SMBus，多年以来就已经广泛应用于便携式设计，它们得到种类繁多的、经过验证的硬件和软件的支持。很多笔记本电脑和PDA的设计者采用串行方法 ，因为这些流行的串行架构只需一条总线就可以支持多种从设备，简化了到多个外设的通信问题。

然而，使用串行总线的设计者，特别是研发尺寸很小的手持或者便携式设备的人员，必须作出很多困难的折衷。虽然串行总线所用的连线数目要比并行总线的少，但在空间上的优势是以速度的损失为代价的。首先，数据吞吐率很少达到500kbps以上。其次，串行架构所用的定时机制更为复杂，迫使设计者不得不采用价格更高的硬件，而且在处理方面，也会增加核心微控制器和从器件的成本。第三，这些串行总线最少还需要为数据、时钟以及接地各留出一根线，这对空间有限的便携式设备来说，是需要考虑的主要问题之一。

单线接口

第三种方法(也是三种选择中最新的一种)是单线总线。便携式设计中的很多控制功能无需I2C等串行总线所具备的高级定时同步和寻址能力，或者I2C那样复杂的设计。单线总线替代法提供了一种通过单线连接提供控制信号和信令的接口协议，从而简化设计和降低成本。

Advanced AnalogicTechnologies公司的S2Cwire单线总线对定时要求大为放宽。微控制器的运行可快可慢，而从设备无需本地时钟或者精密的主时钟。从而使得硬件和软件的实现更为简单。为了让电源管理功能具有更高的智能度，S2Cwire架构通过对时钟沿的计数来运行。这种方法增加一个计数器，它通过装在从器件中的ROM实现各种编程功能，S2Cwire并不提供I2C方法所具有的寻址和数据回读等功能。但在机内不带I2C的便携式系统(如手机、PDA和数码像机)应用方面，它为大批量的消费产品提供很高的集成化。

单线接口在电源管理应用方面具有独特的优势。例如，设计者可以利用白光LED来对彩色TFT LCD进行背光照明，传统上，他们通过来自系统微控制器的I/O线对为白光LED供电的电荷泵或者DC/DC 升压变换器进行控制，控制信号是加到电源芯片的使能端的脉冲调宽(PWM)信号。LED的亮度一般通过改变占空比来进行控制，让变换器开启或关闭。采用单线式接口后，设计者就可以省去PWM控制信号而提供可编程的对数亮度设置。这种方法不仅在设计上更为简单，而且与传统的基于PWM的硬件结构相比，它还可以通过软件对范围更宽的亮度级实现更好的控制。

单线接口也开创了崭新的电源管理方法。在便携式设备市场上，设计目标是缩小占用面积和高效率。不过，由于在便携式设备中不断引入的新功能，仍然以GPIO线作为其控制的首选方法。在越来越多的情况下，便携式系统的设计者无法获得实现这些新功能所需的GPIO资源。

举例来说，将一个单线接口与多个独立的负载开关组合起来，则一组I/O扩展器负载开关可以让系统设计者使用最少工作量和成本即能扩展便携式系统的I/O功能。设计者不必使用分立的MOSFET和几根控制线来管理每项功能，而是能够通过一根控制线来控制5种功能。这样就制成一种尺寸为2mm

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