基于TPS65217C的Cortex-A8 AM335x芯片电源系统设计

王晓君， 曹文沛

(河北科技大学 信息科学与工程学院,河北 石家庄 050018)

0 引 言

随着ARM相关技术的不断发展，对电源系统的要求也不断提高。多种类、大功率、可编程、可电池管理、可上电顺序控制和具备一定的智能逻辑交互能力等要求成为电源系统设计的重要研究方面。针对不同的设计要求，电源系统的设计也变得越来越复杂。与之前的电源芯片相比，不断开发的ARM芯片对其专用的电源芯片也提出了新的要求。对此，引入了集成电源管理电路(Power Management IC)这个概念。PMIC是一种高集成的、针对便携式应用的电源管理方案，即将传统分立的若干类电源管理芯片，如低压降稳压器(LDO)、DC/DC转换器，都集成到电源管理单元(Power Management Unit)中，这样可实现更高的电源转换效率和更低功耗，及更少的组件数以适应缩小的板级空间，成本更低。本文中介绍的TPS65217C芯片就是基于PMIC的电源管理芯片，在下面将详细介绍TPS65217C芯片的相关内容。

1 AM335x电源需求分析

AM335x芯片中不同的模块有着不同的供电需求，其中各个引脚对电源的要求已经在表1中按所需电压值的不同详细地进行了分类[1]。

表1 电源引脚对电压电流的要求

在运行过程中如果要实时地改变供电电压，可在软件编程后通过I2C总线由ARM进行实时控制。AM335x芯片提供了Operating Performance Point (OPP)功能，在不同的模式下，系统的主频不一样，运行速度不同，对VDD_MPU,VDD_CORE的电压需求也不一样。芯片支持的所有频率与电压组合的对应关系如表2所示[2]。上电过程中需要ARM与电源芯片之间有一定的配合。

表2 不同OPP模式下频率与电压组合的对应关系

2 基于TPS65217C的供电电源设计

2.1 性能特点

TPS65217C是一款单芯片电源管理类集成电路(PMIC)[3]，这款芯片可为便携式系统与5 V非便携式系统的AM335x系列应用处理器供电。此系统具有双输入电源路径，可由USB端口、5 V交流适配器或者锂离子电池的任意组合供电。三个高效2.25 MHz降压转换器分别为系统提供内核电压、存储器电压和I/O电压,并提供了单节线性锂离子电池充电器，其最大充电电流为700 mA,具有耐压高达20 V的USB输入与交流输入，并提供了温度调节功能、安全定时器与温度感测输入。芯片可以灵活地控制上电和断电的顺序，并提供了一些辅助功能来保护电池，比如欠压闭锁、电池故障比较器、常开按钮监视器和硬件复位,且设有电源指示灯，一旦上电加载完成，这个指示灯就会亮。LED灯闪烁则TPS65217C开始上电，当遇到问题时LED指示灯关闭。

2.2 电路连接

TPS65217C与AM335x之间电源线与模数信号的连接方法如图1所示[5]。

2.3 芯片内部工作原理

TPS65217C采用了48引脚，6 mm×6 mm×1 mm方形扁平无引脚封装(QFN)。TPS65217C具有集成开关场效应晶体管(Integrated Switching FETs)的三个降压转换器(DC/DC)、四个低压差稳压器(LDO)、一个数据选择器(MUX)和一个白色发光二极管驱动器(WLED Driver)[4]。

图1 TPS65217C与AM335x连接图

其中DC/DC为PWM/PFM转换型，在中度到重负载电流时为固定频率脉宽调制(PWM)，在轻负载电流时变换器自动进入省电模式并使用脉冲频率调制(PFM)。LDO1和LDO2支持系统待机模式，睡眠(SLEEP)状态时，输出电流被限制在1 mA以减少静态电流，而在正常模式下，它们可以支持高达100 mA的电流。LDO3和LDO4可以支持高达200 mA的电流并可被配置为负载开关而不是稳压器。4个LDO都有宽泛的输入电压范围，所以它们能够由一个DC/DC转换器供电或者由系统电压节点供电。在默认情况下，只有LDO1一直打开(ON)，但是任何一个都可令其保持在睡眠状态。特别是DC/DC转换器可保持低功耗PFM模式以支持处理器休眠模式。

芯片还具有白光二极管驱动器，内部可以生成用于亮度调控的脉宽调制(PWM)，可以25 mA驱动2×10个LED或50 mA驱动10个LED,其中包含了一个升压转换器与两个电流源，这两个电流源需要一起控制，不能独立运行，电流大小可以通过两个外加电阻进行控制。

2.4 上电时序

TPS65217C芯片有默认的上电与断电时序，也可通过AM3354处理器中I2C0口控制TPS65217C内的寄存器定义专门的时序，图2所示的时序是专门为AM335x处理器优化后的上电时序，而断电时序与上电时序正好相反[6]。每个输出都按照使能的顺序改变电平，两个跳变沿之间的延迟时间的可选择范围为1 ms到10 ms。

图2 TPS65217C上电时序

2.5 设计要点

此款芯片支持几种不同的状态，比如关闭状态(OFF)、运行状态(ACTIVE)、休眠状态(SLEEP)、复位状态(RESET)[7]。

在关闭模式下，PMIC完全关闭，除了几个电路监视AC、USB和按钮输入，所有电压都关闭。寄存器复位为默认值，I2C通信接口关闭。要进入OFF状态，需要将STATUS寄存器中的OFF位设置为1，然后将PWR_EN引脚拉低。要退出OFF状态，必须发生以下唤醒事件：PB_IN置低或AC上电或USB上电。在正常操作中，OFF状态只能从ACTIVE状态进入。每当在运行期间发生故障(例如热关断，电源良好故障，欠压锁定或PWR_EN引脚超时)时，所有电压都将关闭，器件进入关闭状态。器件保持在OFF状态，直到故障消除并发生新的上电事件为止[8]。

在ACTIVE状态所有元件均可工作，并可通过I2C接口进行控制。仅当主机在唤醒事件后5 s内响应PWR_EN引脚时，器件才会进入ACTIVE状态，否则将进入OFF状态。也可以通过将PWR_EN引脚拉高，直接从SLEEP状态进入ACTIVE状态。如果要退出ACTIVE模式，需要将PWR_EN引脚拉低。

TPS65217C可以通过将nRESET引脚拉低或将PB_IN引脚保持为低电平超过8 s来复位。所有通路关闭，所有寄存器值都复位为默认值。复位引脚保持低电平时设备会保持此状态，nRESET引脚必须为高电平才能退出复位状态。但是，器件在返回到ACTIVE状态之前，将保持RESET状态至少1 s。RESET功能会对设备进行重新上电，并且临时关闭输出通路。如果PB_IN引脚长时间保持低电平，器件将持续在ACTIVE和RESET状态之间循环，每8 s进入一次RESET状态[9]。

3 结束语

本文结合AM335x芯片的使用需求，详细地介绍了TPS65217C芯片具有的电源管理功能和对AM335x芯片良好的支持，基于TPS65217C的AM335x芯片电源系统可编程、可管理、可控制，符合AM335x芯片对供电的要求，可以很好地支持AM335x芯片使用时对电源的的各种需求，具有很高的使用价值。