智能电源管理解决方案大幅度降低待机能耗

简介

现今，私人家中和办公室使用的电气产品的数目正在以极快的速度增加。这些产品中的大多数，例如音频/视频产品和办公设备，都有着待机期间耗电量大的问题。这不仅浪费电力和资金，同时对环境也有不利的影响。正是由于这个原因，现在对于大部分产品，都有相对应的法规来严格地限制待机期间的能耗。

本文针对待机模式下电源器件提出了 ST 智慧电源管理的解决方案，它符合新规范的开机节电（on-Power saving）。

除智能型电源管理之外，该架构是一般目的使用的，与产品无关。它可以轻易地适应和嵌入到消费性设备、办公设备和家用电器中。

待机规范能耗简介

待机模式是指产品被关闭，不执行任何常规功能但仍然与电源连接的状态。

活动模式（active mode）则是指产品在开启并处于执行常规功能时的状态。

因为许多设备在多数时间都处于待机模式—如数字电视或打印机，因此这一期间的节能程度将决定整体节能的状况。

目前能源之星（ Energy Star®）的规范规定待机模式下的能耗应少于或等于1至2 瓦特，根据设备类型有所不同，例如，对音频/视频产品而言，这个值固定为 1 瓦特。

STMicroelectronics的电源管理解决方案

ST 提出了一套智能型电源管理方案，该方案对于设计具有可持续原则（sustainable principle）的系统是十分有必要的。
这一方案的方法是在含有特定电源控制韧体的主系统中添加一个通用低功率微控制器。

图 1 显示了常规系统的结构图，这些系统包括音频/视频产品、办公设备和家用电器产品。不论是什么应用，都可以将它们分为两部分：

主系统模块（block）
电源管理模块

主系统模块执行系统主要目的的活动；其硬件拓扑结构对于不同产品是不同的，但是每个都含有一个包括 I2C 总线的主IC 控制器 ，以及至少一个唤醒源（wake-up source）。

主IC 控制器管理所有的系统功能，与待机控制器、唤醒源和其它设备相连接。

唤醒源是指能命令待机控制器退出待机模式和回到活动模式的事件。常用唤醒源是远程控制接收器、键盘、VGA和HDMI输入等。唤醒源也可以是定时器事件（timer event），用于记录、启动特定的操作，或用于定期更新。

在活动模式期间，唤醒源与主IC 控制器相连接来执行与命令相关的功能。

电源管理模块是与主系统无关的通用模块。这部分的核心部件是一颗8 位的低功率微控制器，它通常当作待机控制器使用。它接收来自主IC控制器和唤醒源的输入，通过继电器打开和关闭为多数主系统供电的全开通电源模块（full on power supply block）。在待机模式期间，低功率微控制器和唤醒源由辅助电源供电。

根据该架构，系统以两个不同的模式（参见图2）工作：

活动模式，此时为主IC 控制器和其它设备供电。

待机模式，此时仅为低功率微控制器和唤醒源供电。

重设定之后的预设状态（default state）是活动模式。

活动模式

一旦系统被插上电源，系统所有部件都通电，并且处于执行状态。主IC 控制器将管理每个功能；它检测来自唤醒源（如远程控制器）和前面板的使用者输入；它利用I2C总线与其它设备和低功率微控制器相连接，在这种情况下，主IC 控制器被配置为主系统，而其它设备，包括低功率微控制器，则被配置成从属（slave）系统。

在活动模式状态下的主IC 控制器和低功率微控制器的相互通信中，主IC 控制器更新低功率微控制器的缓存器，例如，对定时器新事件等编程，以及发送待机命令请求。

一旦待机控制器从主IC 控制器收到关机命令，便进入待机模式。

待机模式

在低功率微控制器从主IC 控制器收到待机命令时，它将系统转入待机模式，关闭与全接通电源连接的继电器。在待机模式下，仅有低功率微控制器和唤醒源通电。在此一期间，低功率微控制器进入停机模式，等待外部输入或定时器事件。一旦上述事件发生，低功率微控制器退出停机模式（halt mode），对收到的信号进行译码，通过继电器开启整个系统。唤醒事件的种类和功能透过I2C总线传达到主IC 控制器，以执行相关的操作；现在系统处于活动模式，所有功能都可以正常地执行 。

应用范例

下面举一个如何为消费性应用实施待机管理控制的例子。由于它可以适应不同的主系统模块，因此只介绍电源管理模块，如图3。

它是以ST7FOXA0为基础 ， 而ST7FOXA0则是一款成本非常低的ST 8 位微控制器。

系统的唤醒源是远程控制器的红外线接收器和前面板按键（电源开启 / 关闭命令）。

8 位微控制器和唤醒源的电源电压是3.3 伏；它们是系统永久都在执行的部分。另一方面，主IC 控制器是由 8 位的微控制器根据待机命令开启和关闭总电源。微控制器透过I2C通信与主IC 控制器（主系统中）连接， 8 位微控制器被配置为从属系统，而主IC 控制器则被配置为主系统。


该主微控制器的特征是：

仿真的低速I2C从属接口通信
远程控制器接收器和译码器唤醒事件
前面板唤醒事件
具有可编程极性（programmable polarity）的主电源命令
2C从属接口是仅使用 2 个输入/输出引脚来模拟的。

在待机模式时，远程控制器接收器唤醒系统。译码程序利用配置为外部中断的输入/输出引脚和12位自动重新加载（Auto Reload）定时器周边来实施。

在待机模式下，前面板唤醒系统。在此系统中，电源开启 / 关闭按钮与配置为外部中断的引脚相连接。

总电源藉由作为输出配置的输入/输出引脚来驱动。要开启和关闭，可对输出极性进行编程。在待机模式下，微控制器处于停机模式，以便进一步降低功耗；可利用外部中断来退出待机模式。

应用流程如图4所示：

结论

为了大幅地降低能耗，ST 提出了产品待机期间的智能型电源解决方案。ST 的架构是以低功率的微控制器为基础，它藉由断开大部分系统与总电源的连接来大幅地降低待机模式下的能耗。该方案既可节能又可降低对环境的影响。