TWL3024在3G终端电源管理中的应用

摘  要：本文用一个实例介绍了TWL3024在3G移动终端中的电源管理策略，这种管理策略对于一般手持设备的节能降耗也具有一定的参考作用。
关键词：TWL3024；3G；电源管理

前言
3G 终端电源管理的主要策略之一，就是设计转化效率高的线性调压器(因其低压降特性称为LDO)。尽管开关型调压器的转化效率较高，但由于线性调压器在电压输出端产生的噪声最小，而且LDO极小的纹波可以避免噪声使手机发射器产生的RF载波蠕变，因此，线性调压器仍旧占有主导地位。第二就是可以有效地利用电能，主要有以下途径：1. 将处理某项任务时不需要的功能单元关掉，比如在进行内部计算时，将与外部通信的接口关断或使其进入睡眠状态。2. 改变处理器的工作频率和工作电压。目前绝大多数的处理器是用CMOS工艺制造的。在CMOS电路中，最大的一项功率损耗是驱动MOSFET栅极所引起的损耗，其大小为P_loss= C_gf(I_out)V_in², C_g为栅极电容，f为频率，可以看出功率损耗与频率和输入电压的关系。所以针对不同的运算和任务，把频率和电源电压降低到合适的值，可以有效地减少功率损耗。

TWL3024的结构特点
TWL3024是模拟基带处理和电源管理芯片，它将完整芯片组与应用处理器的模拟与电源管理功能集成到同一个器件中，从而降低了板级要求、减少了芯片数目及开发成本。
TWL3024电源管理模块的主要结构特点：
a． TWL3024内部采用的是高效率的LDO，LDO的控制接口是I2C总线可以访问的寄存器，每个LDO的工作模式以及输出电压都可由中央处理器上执行的电源管理软件来配置，LDO不仅向中央处理器供电，而且负责整个芯片组和外设的供电。
b． DC/DC模块，用于高效变换输入电压，以满足LDO不同的输出需求。
c． TWL3024有12个HCO(控制输出接口)，用来传递到各主控模块的时钟或模式控制信号。
d．  TWL3024有6个HII(控制输入接口)，它是触发系统状态改变的一组内部和外部信号，所有这些HCO和HII都是可编程的，用来触发电源状态机的状态改变并提供给应用处理器基本时钟和复位信号。
e． TWL3024有一个SMM(系统管理模块)，由两个相同的基于状态机的硬件控制器构成，分别称为第一主控制器(Primary HOST controller)和第二主控制器(Secondary HOST controller)，用以管理HCO、LDO、DC/DC等电源管理资源。这两个主控制器的操作是互相独立的，也可以只使用其中一个来控制系统上电时电源管理资源的分配。每个主控制器由四个基本模块组成：主系统状态机(HSSM)、程序序列装置(Sequencer)、跳转逻辑(Branch logic)和脚本代码(script code)。HSSM控制sequencer来顺序执行script code所定义的系统可能的状态模式，Branch logic允许HSSM选择并跳转到script code所定义的下一个模式。这些模块共同作用来实现软件所定义的主系统状态模式的转换。

图1  OMAP系统状态迁移图

基于OMAP1611和
TWL3024的解决方案
TWL3024的电源管理方案是基于OMAP 处理器和TCS4105芯片组之上进行系统优化的结果。从电池能量转化的方面来说，TWL3024的LDO和DC/DC转换器的效率是很高的。从节能的角度来讲，首先，TWL3024对OMAP、TCS4105芯片组及各系统外设都是分别供电的，当处理某项任务时，不相关的功能单元可以断电。例如，射频单元中的功率放大部分消耗的功率占手机总功耗的一半左右，然而，大部分时间内该元件又是不工作的，所以，关断该部分可以提高电能的利用率，重新打开该单元可以通过TWL3024的HCO端口发送指令到射频模块来实现。其次，可以通过关闭或调低OMAP的工作频率来控制功耗。像视频流解码这样的任务可能需要大量的处理能力，器件将以最大的时钟频率运行，功率也被调节到能够提供最大的I/O操作。但是，像待机状态这样简单的任务就几乎不需要处理器工作，仅用足够的电压刷新存储器就可以了。TWL3024的DVS(动态电压调整)技术有效地将处理器(如OMAP)与电源转换器连接成闭环系统，通过I2C等总线动态地调节供电电压，同时调节自身的频率，这样就使系统的节能达到尽可能高的程度。OMAP时钟频率的不同工作模式及其相互切换可以由OMAP处理器系统状态机来描述，系统状态的种类及其相互间切换的条件可由用户自己定义，用TWL3024脚本语言(script code)来编写，最后由OMAP装载到TWL3024中执行，以实现系统节能。
以下是一个定义OMAP处理器系统状态的实例：OMAP系统状态被定义为5个，分别是active(全速的处理器MIPS特性)状态、activelow(低速的处理器MIPS特性)状态、idle(处理器停止活动，但仍提供系统电源和时钟)状态、standby(处理器低于正常电压供电且时钟停止)状态、off(处理器电压和时钟全部停止)状态，每一种状态就是在处理器特定执行模式下的电源管理资源的一种静态配置，图1是这5种系统状态的迁移图。如图所示，在系统上电复位后，首先是运行默认的、在上电复位时 TWL3024的脚本代码，在对TWL3024内部寄存器配置后，进入由用户定义的系统off状态；其次，根据图中状态间迁移条件的不同，用户需自行定义 11种脚本代码来实现所要求的状态迁移。一般而言，通过这种方法来细分处理器在不同操作模式下所需的工作电压和频率，可以很好地达到节能的效果。
脚本代码的编写非常简单，只包含3条基本指令：TRS(target resource state)、DELAY、END。TRS指令指定HCO、LDO等资源所处的下一种系统状态，并强迫当前的状态迁移到该状态，图1中的系统状态有5种； DELAY指令插入若干个32KHz时钟周期的时延，用来延缓脚本代码的执行，这条指令在当LDO等资源需要一定的时间才能启动且稳定下来时是必须的； END指令标识脚本代码的结束，一个脚本代码必须包含一条END指令，且可以只包含一条END指令。脚本代码存储在主控制器中相应的寄存器中，代码长度只受寄存器大小限制。

结语
由于TWL3024 采用了TI创新型电源管理系统，通过分化系统并在必要时将部分手持终端置于低功耗待机模式，可极大地降低功耗。利用该电源管理系统，可显著延长采用 TCS4105 与 OMAP1611 处理器的 3G 移动终端的电池寿命，从而在不影响高性能应用的情况下，将待机时间由现有解决方案延长两倍。