最新典型的电源网络管理实例

时间：2024-06-26 15:16:17

关键字：电源网络电源 PDN电源

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[导读]电源如何连接到典型的处理器和其他外围组件用例，从而可以有效的支持电源分布式网络(Power Distribution Network，PDN)。

本文通过详细介绍双PMIC(TPS6594-Q1)电源如何连接到典型的处理器和其他外围组件用例，从而可以有效的支持电源分布式网络(Power Distribution Network，PDN)。电源网络管理模块PDN可根据其处理器的电力需求来实现主微处理核MCU和其余高运算能力芯片电压资源的板级隔离。同时，利用这种板级电源隔离实现理想的产品功能体系结构。

对于整个配电网络PDN的设计主要包括以下内容：

①　PDN电源连接

②　PDN数字控制连接

③　主副PMIC默认内部模块管理NVM内容

④　PMIC排序设置以支持高级处理器的不同PDN电源状态转换

系统PMIC数据处理需要描述推荐的操作、电气特性、外部组件、封装详细信息、寄存器映射和整体组件功能。PMIC(TPS6594-Q1)器件具有不同的可订购部件号 (PN)，具有独特的NVM设置以支持不同的最终产品用例和处理器类型。每个PMIC所具备的独特NVM设置器件会针对每个PDN设计进行优化，从而支持不同的处理器、处理负载、SDRAM 类型、系统功能安全级别和最终产品特性(例如低功耗模式、处理器电压和内存子系统)。NVM设置可以通过模块ID号NVM_ID 和模块寄存器NVM_REV来识别。每个PMIC 设备可通过部件号、NVM_ID 和 NVM_REV 值来区分。

下图显示了双 TPS6594-Q1的PMIC电源管理和处理器之间的电源映射，该种连接方式支持独立 MCU 和主电源轨所需的电压域。

如上图所示，PDN 在输入电源和PMIC之间需要有一个串联的外部功率 FET。PMIC通过OVPGDRV 引脚实现FET前后的电压监控，当检测到大于 6 V 的过压事件时，FET 可以在输入电源上快速隔离 PMIC，以保护系统免受损坏。这包括来自的所有电源轨场效应管输出信号，FET 上游连接的任何电源都不受过压事件的保护。MCU和主要 I/O 域供电的负载开关，分立式降压电源DDR 和为 EFUSE 供电的分立式稳压器LDO 都连接到了 FET 之后，这样可以延长对这些处理器域和分立电源的过电压保护能力。

此外，从如上图所示的整个电源管理模块内部结构中，还包含如下一些相应的参数设置。

在如上配置中，两个 PMIC使用 3.3 V 输入电压。对于功能安全应用，在VCCA之前有一个保护FET连接到主PMIC的OVPGDRV引脚，允许监控PMIC的输入电源电压。VCCA电压必须是施加到 PMIC 设备的第一个电压，PMIC的VIO_IN在VCCA之后通过负载开关为对应PDN中的VIO_IN 供电。该负载开关还提供了VDDSHVx_MCU 处理器的电压源，通过引入VIO_IN的PMIC GPIO控制信号可以确保在MCU Only低功耗模式期间可以保持活动状态，并在DDR做数据保存(也称为挂起到 RAM)期间被禁用以降低PMIC功耗。

对于双电压I/O情况需要支持包含3.3V 和 1.8V两种情况。使用一种具有逻辑高电平默认值的处理端 LDO可以通过GPIO控制信号将初始的电压I/O值设置为3.3 V。处理器上电期间，引导加载程序SW 可以将 GPIO 信号设置为低电平，从而确保使用端根据需要选择适当的电平(1.8 V)。同时，在未启动 MCU 的情况下，PMIC可以控制 LDO1 电压处理器在操作系统启动期间与PMIC建立 I2C 通信。

这里我们可以举例说明对一些超异构芯片是如何实现MCU Only的控制逻辑。比如在TDA4芯片的MCU Only模式控制上，需要在电源分布式网络 PDN 中使用是四个分立电源组件，其中三个是必需的，一个是可选的，具体取决于根据最终产品的特点。两个TPS22965-Q1负载开关将 VCCA_3V3 电源轨连接到电源保护处理器 I/O 域。通常需要两个负载开关才能实现隔离计算域NPU和实时域MCU，对每个模块进行单独控制，当然也可以在MCU Only低功耗操作的主处理器之间建立电源隔离。TPS62813-Q1 降压转换器也可以为存储单元 LPDDR4 SDRAM 组件提供所需的电源电压(1.1V)。

从TPS6594-Q1 器件到处理器的其他连接GPIO线路也可以通过信号来提供错误监控、处理器复位、处理器唤醒和系统低功耗模式。特定的 GPIO 引脚需要分配给特定的按键信号，这样可以确保在只有少数 GPIO 引脚的情况下保持正常运行在低功耗模式下。

如今，这样的任务是由技术娴熟且经验丰富的元件工程师来完成。人工智能不会取代这项技能，但能极大地加速这一过程——理想情况下，它能取代翻阅数百份数据表以筛选出少数几个兼容候选产品的繁琐工作。

自动导引车系统的优化分布式电源架构

许多电路设计需要多个板级电源电压。例如，自主驾驶或自动引导车 (AGV) 可以沿着城市的人行道自行运送包裹或食品。AGV 将需要多种功能模块来正常工作——如视频摄像头等传感器输入、通过超声波、雷达或激光雷达进行物体检测的系统、GPS 定位系统、微控制器以及若干电机驱动器——所有这些都由单个可充电电池供电，通常为48 V 锂离子电池组(见图 2)。

图 2：典型 AGV 子系统

所有这些功能子系统都需要电源，将由 48 V 电池组供电。电池电压会根据负载和充电状态变化，从耗尽时的 24 V 到刚充满时的 54 V，瞬态输入电压范围为 20 V 至 60 V[1]。各板级电压可调，电机控制器为 +15 V，摄像头和超声波传感器为 +12 V，激光雷达系统为 +300 V，GPS 子系统为 3.4V，微控制器、接口和存储器 IC 分别为 +5 V、+3.3 V、1.8 V 和 1.2 V。车轮电机驱动将直接采用电池供电。显然，这些板级电源将由各种稳压器和 DC/DC 转换器供电，但哪一种是最佳配置呢?是由 48 V 电池单独供电，还是通过高电流 DC/DC 转换器来降低电压并用低压差线性 (LDO) 稳压器为每个系统进一步调节电源，或者结合以上两种方式?(图 3)。

图 3：AGV 电路板两种可能的电源分配解决方案：集中式和分布式

图 3 所示的两种电源树解决方案均能提供相同的最终结果。上面的分布式解决方案使用了更多的 DC/DC 转换器模块，这些模块效率很高但成本不菲。下面的集中式解决方案比上面的解决方案使用了更多低压差线性稳压器，成本虽低但其转换损耗更大。整体效率最大化是否是提供最长电池寿命最重要的因素?或者成本是最重要的准则?或者是否有另一种电源树配置能够提供更优的解决方案，既经济又高效?有一些 CAD 软件程序可供经验丰富的设计人员根据特定技术规格在电源供应树中选择合适的插座，但人工智能可以改善这一过程，让经验相对较少的电源工程师以最低的成本找到性能最佳的最优解决方案。

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