如何選擇嵌入式處理器及其電源管理解決方案

在任何嵌入式控制應(yīng)用中，所有數(shù)據(jù)處理的核心部件是微控制器、微處理器或FPGA。要滿足眾多終端設(shè)備對(duì)存儲(chǔ)、功耗、系統(tǒng)電路板大小以及成本等的要求，這些核心器件的架構(gòu)都要求具備高度的控制、連接和安全特性。然而，這些數(shù)據(jù)處理核心部件需要先進(jìn)的電源管理系統(tǒng)以及許多開(kāi)關(guān)和線性降壓(LDO)穩(wěn)壓器提供強(qiáng)大的支持，因此對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師而言一個(gè)最重要的問(wèn)題就是選擇電源管理架構(gòu)。本文將討論如何克服各種嵌入式系統(tǒng)目前面臨的電源管理挑戰(zhàn)，并演示數(shù)字設(shè)計(jì)工程師如何利用在線嵌入式開(kāi)發(fā)網(wǎng)站來(lái)協(xié)助決策，以更加從容地為大量嵌入式控制器和處理器遴選合適的電源管理和信號(hào)路徑產(chǎn)品。

目前的電源管理設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

當(dāng)前的高效率開(kāi)關(guān)和線性穩(wěn)壓器可以提供較大的輸出電流、較寬的輸出電壓范圍和較高的頻率，不僅不需要使用外部補(bǔ)償電路，而且允許使用更小的外部無(wú)源器件。用的無(wú)源器件越小越少，所需的電路板面積也就越小，材料成本也就越低。更低的R_dson特性意味著更低的傳導(dǎo)損失和更高DC/DC轉(zhuǎn)換效率,配合斷電模式時(shí)很低的靜態(tài)電流，最終將形成更智能的高能效電源管理系統(tǒng)PowerWise，進(jìn)而支持目前許多嵌入式控制器/處理器產(chǎn)品業(yè)已具備的高級(jí)的節(jié)能技術(shù)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的眾多挑戰(zhàn)之一是：確保設(shè)計(jì)的方案能夠一次性通過(guò)、所用的電源可以具備一定的“彈性”，足以支持今后系統(tǒng)的升級(jí)，而無(wú)需對(duì)電路板作重大的改動(dòng)。處理任何最終設(shè)備中的電源、地和輻射噪聲耦合問(wèn)題以及電路板屏蔽問(wèn)題都決非易事，許多數(shù)字設(shè)計(jì)師通常把這里問(wèn)題視為“魔匣”。由此可以理解為何當(dāng)前的大量電源設(shè)計(jì)都是直接去“拷貝、粘貼和復(fù)用”已被證明可用的先前設(shè)計(jì)。通常認(rèn)為，需要折中考慮輸入/輸出電壓范圍和負(fù)載電流。當(dāng)電源和控制器/處理器/FPGA之間的壓差很大時(shí)，最好選用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，因?yàn)樗鼈兊男矢?，適合用于給處理內(nèi)核和I/O供電。當(dāng)輸入輸出電壓差較小時(shí)，線性穩(wěn)壓器的效率更優(yōu)，特別是在要求極低噪聲和紋波電壓時(shí)。圖1對(duì)設(shè)計(jì)工程師在選擇電源管理方案時(shí)要考慮的關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素和系統(tǒng)要求作了總結(jié)。

圖1：進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)電源管理設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素和系統(tǒng)要求。

利用Web資源協(xié)助設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的電源管理解決方案

直到20世紀(jì)90年代末期，印刷版的產(chǎn)品選擇器指南一直都是系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師獲得詳細(xì)產(chǎn)品信息的唯一來(lái)源。當(dāng)時(shí)他們面臨的挑戰(zhàn)是通過(guò)比較多種產(chǎn)品、芯片規(guī)格和電子參數(shù)來(lái)尋找“最合適的”嵌入式控制器或處理器，而不考慮電源管理的要求。幸運(yùn)的是，隨著時(shí)間的推移，我們已經(jīng)能夠脫離那種繁重的工作，可以采用智能在線“搜索和比較”工具來(lái)完成相同的工作。

隨著市場(chǎng)上大量嵌入式微控制器和處理器的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)師在為特定的終端應(yīng)用選擇最佳解決方案時(shí)也面臨很大的困難。不管制造商聲稱可以提供多高的MIPS和Drystones，對(duì)處理內(nèi)核周邊的外部要求一直存在爭(zhēng)論。調(diào)查表明，尋找能夠兼容開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室在用開(kāi)發(fā)工具的合適微控制器/處理器需要花費(fèi)許多時(shí)間。因此，現(xiàn)在設(shè)計(jì)工程師優(yōu)選www.embeddeddeveloper.com 網(wǎng)站作為嵌入式控制器/處理器/FPGA在線搜索工具。該網(wǎng)站支持相關(guān)的軟硬件開(kāi)發(fā)工具，并提供高性能模擬產(chǎn)品的補(bǔ)充參考資料。

嵌入式開(kāi)發(fā)者網(wǎng)站可以幫助設(shè)計(jì)工程師盡可能快速高效地開(kāi)發(fā)可用的嵌入式解決方案。不同情形和不同用戶一般需要不同的搜索選項(xiàng)，而經(jīng)過(guò)適當(dāng)設(shè)定的嵌入式開(kāi)發(fā)者的“搜索與比較”引擎可以滿足各種需求。例如，最終目標(biāo)是純處理性能，那么網(wǎng)站允許用戶根據(jù)眾多的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)CPU的Dhrystone性能進(jìn)行交叉比較。獲得在所有主處理器的衍生產(chǎn)品之間或在32/64位和6/16位處理器子集中進(jìn)行搜索的能力是容易的，但關(guān)鍵在于它能縮小控制器、處理器、FPGA的搜索范圍，從而只需很少幾次點(diǎn)擊就能完全匹配設(shè)計(jì)要求。搜索菜單的任意組合均能構(gòu)成有效的搜索，可以先選擇最重要的片上特性(如以太網(wǎng)、CAN、A/D等)，在不久前還增加了額外的重要參數(shù)，如定時(shí)器、閃存大小以及速度等級(jí)。一旦搜索完成，就可以用比較特性查看下一層細(xì)節(jié)，然后就能對(duì)眾多的控制器/處理器/FPGA逐項(xiàng)進(jìn)行比較。

當(dāng)這一步完成后，接下來(lái)就是關(guān)注外部模擬和混合信號(hào)器件，它們也是整體系統(tǒng)的必要組成部分。這里，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體推薦了一些實(shí)用的電源管理和信號(hào)路徑產(chǎn)品。當(dāng)這些產(chǎn)品確定好后，最后一步就是點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的制造商產(chǎn)品網(wǎng)頁(yè)和相關(guān)的軟硬件開(kāi)發(fā)工具，同時(shí)可對(duì)美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體導(dǎo)體的模擬產(chǎn)品進(jìn)行在線設(shè)計(jì)和原型分析。

在對(duì)嵌入式解決方案做出選擇后，系統(tǒng)會(huì)推薦一些美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的產(chǎn)品作為推薦的電源管理或信號(hào)路徑配屬解決方案。然而，如果設(shè)計(jì)工程師要求更多的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)或其它可選項(xiàng)，也可以通過(guò)美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的WEBENCH在線仿真工具進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化和創(chuàng)建其它設(shè)計(jì)。在嵌入式開(kāi)發(fā)者主頁(yè)上的WEBENCH條上點(diǎn)擊鼠標(biāo)也能實(shí)現(xiàn)相同的功能，它可幫助設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行如下工作：
1. 進(jìn)行選擇：a.輸入設(shè)計(jì)要求，也就是供電電壓、供電電流和輸出電壓，如果目標(biāo)值還沒(méi)有確定，可以使用絕對(duì)最大額定值。b.可以選擇由美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推薦并經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證的電源管理產(chǎn)品，它們可以與所選的嵌入式控制器很好地一起配合工作。或者選擇其它推薦的產(chǎn)品。
2. 進(jìn)行設(shè)計(jì)：a.對(duì)元件進(jìn)行調(diào)整，測(cè)試工作值，如功耗、電流、偏移和漂移電壓以及頻率響應(yīng)。b.調(diào)換模擬和無(wú)源器件以比較它們的性能、尺寸和成本。
3.進(jìn)行分析：a.仿真電路，評(píng)估電磁干擾和散熱性能。b.與以前創(chuàng)建的設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，以取得最優(yōu)的性能。
4. 進(jìn)行創(chuàng)建：a.下載自動(dòng)生成的CAD文件和測(cè)試指令。b.申請(qǐng)樣品，并購(gòu)買器件/演示板。
5. 進(jìn)行測(cè)試：執(zhí)行板級(jí)測(cè)試，下載定制測(cè)試向量并根據(jù)虛擬結(jié)果驗(yàn)證實(shí)際電路板功能。

對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，既定嵌入式控制器/處理器/FPGA進(jìn)行仿真電源設(shè)計(jì)并根據(jù)顯示圓點(diǎn)圖來(lái)檢查元件波形和元件值的變化，都是很重要的能力。虛擬仿真的另外一個(gè)好處是，所有仿真都有歷史記錄，因此很容易根據(jù)以前的仿真記錄來(lái)精確調(diào)整設(shè)計(jì)。雖然目前許多控制器的功耗都很小，但設(shè)計(jì)師還是很樂(lè)意認(rèn)識(shí)WEBENCH功能，因?yàn)檫@些功能有助于定義散熱問(wèn)題，并能在特定負(fù)載和環(huán)境條件下輸出彩色的PCB圖。

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為嵌入式系統(tǒng)提供優(yōu)秀的PowerWise電源管理工具

來(lái)自飛思卡爾公司的MCF5475微控制器采用的是ColdFire V4e CPU，該CPU具有一個(gè)增強(qiáng)型乘法累加單元(EMAC)、一個(gè)存儲(chǔ)管理單元(MMU)和一個(gè)雙精度浮點(diǎn)單元(FPU)。MCF5475的工作速度可以高達(dá)266MHz或410MIPS(Dhrystone 2.1)。它集成有快速以太網(wǎng)控制器(FEC)、USB、UART、USART、IRDA、I²C和DMA SPI，因此可以提供真正的片上通信功能。另外，它在硬件上支持各種互聯(lián)網(wǎng)安全標(biāo)準(zhǔn)。該產(chǎn)品是一種高性價(jià)比的系統(tǒng)解決方案，可適合許多應(yīng)用，如工業(yè)路由器、高端POS終端、樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)以及工藝控制設(shè)備。

MCF5475對(duì)電源有三個(gè)要求，即對(duì)于高性能、低功率和內(nèi)部?jī)?nèi)核邏輯單元提供1.5V，對(duì)于DDR SDRAM總線接口提供2.5V，對(duì)于其它所有I/O功能提供3.3V。對(duì)電源管理系統(tǒng)的上述需求，是確保MCF5475正常運(yùn)行的關(guān)鍵。LM3671的開(kāi)關(guān)頻率很高(2MHz)，意味著所選的外部電感可以很小，加上僅有的兩個(gè)小電容，因此電路板面積非常小，總的系統(tǒng)成本也有所降低。在全負(fù)載范圍內(nèi)，LM3671可以提供高達(dá)90%的效率和350mA的電流，在待機(jī)和工作狀態(tài)它都有很高的效率，并且瞬態(tài)上沖、下沖可以忽略不計(jì)。通過(guò)一個(gè)使能引腳可以在微控制器處于斷電或睡眠模式時(shí)關(guān)閉LM3671，此時(shí)它只消耗1uA的電流。這個(gè)特性對(duì)典型的嵌入式控制器來(lái)說(shuō)非常有吸引力，因?yàn)樗鼈冇泻艽蟛糠謺r(shí)間處于待機(jī)或低功率模式，對(duì)電池供電的設(shè)備來(lái)說(shuō)優(yōu)勢(shì)更加明顯。LM3671還支持低噪聲PWM和低電流PFM模式之間的智能開(kāi)關(guān)特性，因此特別適合給電池供電設(shè)備中的超低壓電路供電。

LM3671還適合給使用單鋰離子電池或3節(jié)鎳氫、鎳鎘電池的超低壓電路供電。由于它具有欠壓鎖止(UVLO)、過(guò)流和過(guò)溫保護(hù)等功能，因此LM3671是給下列應(yīng)用中的高性能處理器和嵌入式控制器供電的理想電源器件，這些應(yīng)用包括條碼掃描儀、POS終端、消費(fèi)類電子、便攜式醫(yī)療儀器、WLAN設(shè)備和便攜式GPS系統(tǒng)等。

恩智浦半導(dǎo)體公司的LPC2468是圍繞著一個(gè)16位/32位ARM7TDMI-S CPU內(nèi)核設(shè)計(jì)的，該器件的工作速度可達(dá)72Mhz或64 Dhrystone MIPS。LPC2468內(nèi)置512kB的片上高速閃存，可以執(zhí)行32位ARM和16位Thumb指令，因此允許數(shù)字設(shè)計(jì)工程師在子例程級(jí)優(yōu)化程序的性能或代碼尺寸。LPC2468支持許多功率控制性能，包括空閑、睡眠和斷電模式。CPU時(shí)鐘可以通過(guò)重新配置PLL值和(或)改變CPU時(shí)鐘分頻值進(jìn)行控制，可以根據(jù)應(yīng)用要求權(quán)衡功率和處理速度的關(guān)系。另外，片上外設(shè)功率控制功能允許關(guān)閉到單個(gè)片上外設(shè)的時(shí)鐘，通過(guò)消除程序暫時(shí)不用的所有外設(shè)的全部動(dòng)態(tài)功耗可以精確優(yōu)化器件的功耗。

LPC2468具有兩個(gè)獨(dú)立的電源域，大部分電路斷電時(shí)仍可以同時(shí)保持實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)和電池RAM的正常工作。I/O通過(guò)3.3V的Vdd引腳供電，Vdd(DCDC)引腳則給片上的DC/DC轉(zhuǎn)換器供電，然后再由轉(zhuǎn)換器給CPU內(nèi)核及外設(shè)供電。由于需要考慮功耗，因此將Vdd和Vdd(DCDC)連接在一起是沒(méi)有意義的。雖然這種方法只要求一個(gè)3.3V的電源，但這種方法存在固有的缺陷：無(wú)法在CPU和外設(shè)工作時(shí)“隨時(shí)”單獨(dú)關(guān)閉I/O電源。最佳的選擇是使用兩個(gè)電源，一個(gè)3.3V供給I/O(Vdd)，另一個(gè)3.3V專門(mén)給CPU(Vdd DCDC)。

要給Vdd和Vdd(DCDC)電軌供電，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LP2966(雙路超低降壓穩(wěn)壓器)是很好的選擇(圖2)。這兩個(gè)穩(wěn)壓器的輸入電壓范圍是+2.7~+7.0V，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)可以提供150mA的輸出，每個(gè)穩(wěn)壓器都可以被單獨(dú)關(guān)閉。由于它具有特別低的靜態(tài)電流(IqQ1uA)和很低的壓降，因此能夠完全滿足任何LPC24xx電池供電或便攜式終端應(yīng)用中的低功率要求。在斷電期間，穩(wěn)壓器的所有主要功能都被關(guān)閉，當(dāng)它被快速開(kāi)啟切換回來(lái)時(shí)不產(chǎn)生過(guò)多的過(guò)沖非常關(guān)鍵，因?yàn)檫^(guò)沖是設(shè)計(jì)師在處理如此低Iq值時(shí)經(jīng)常要面臨的挑戰(zhàn)。正因?yàn)槿绱?，LP2966在超低壓降和超低靜態(tài)電流方面已經(jīng)成為行業(yè)標(biāo)桿。LP2966每個(gè)輸出都有寬范圍的預(yù)置值可設(shè)，具有低噪聲性能、低地腳電流以及采用特別小的MSOP-8封裝的LP2966被認(rèn)為是業(yè)界最先進(jìn)的穩(wěn)壓器件。

圖2：用于NXP的LPC2468嵌入式控制器的PowerWise電源管理解決方案。

要給Vdda(給內(nèi)部ADC和DAC供電的模擬電源)和Vref(內(nèi)部ADC和DAC的參考電壓)供電，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LP5900(超低噪聲線性穩(wěn)壓器)是很好的選擇。它能提供150mA的輸出電流，可以為內(nèi)部ADC和DAC提供非常純凈的電壓參考(6.5uVrms)，從而實(shí)現(xiàn)絕對(duì)出色的轉(zhuǎn)換精度。當(dāng)然還有其它一些因素會(huì)影響Vref精度，如負(fù)載/線性調(diào)整、長(zhǎng)期漂移(穩(wěn)定性)和溫度變化。雖然這些效應(yīng)通常是次要的因素，但要使可接受的參考電壓具有余量的話，必須將這些因素考慮進(jìn)去。由于只需要兩個(gè)陶瓷電容(0.47μF)，不需要用噪聲旁路濾波器，因此可以顯著節(jié)省電路板面積和成本。LP5900的輸出噪聲非常低，并且采用優(yōu)秀的帶隙設(shè)計(jì)，在1kHz點(diǎn)具有85dB的高電源紋波抑制比(PSRR)，因此對(duì)NXP控制器周邊對(duì)噪聲敏感的其它射頻和無(wú)線設(shè)備(如給VCO供電)性能沒(méi)有負(fù)面影響。

本文小結(jié)

盡管本文僅列舉了一些美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體為嵌入式系統(tǒng)提供的幾個(gè)PowerWise電源管理解決方案，但著重講解了嵌入式控制器的選擇方法以及相關(guān)的優(yōu)化實(shí)用的電源管理解決方案。這些方法可以為數(shù)字設(shè)計(jì)工程師提供初始的基本實(shí)驗(yàn)框架。在嵌入式控制器、處理器和FPGA主流領(lǐng)域中，嵌入式開(kāi)發(fā)者網(wǎng)站提供了目前最強(qiáng)大而且用戶界面友好的在線數(shù)據(jù)庫(kù)。它能根據(jù)非常精確和具體的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)特別精確的搜索，可以使數(shù)字設(shè)計(jì)工程師的搜索時(shí)間從小時(shí)減少到分鐘。然而最大的好處是能夠評(píng)估外部高性能模擬功能，允許數(shù)字領(lǐng)域外的系統(tǒng)集成商根據(jù)他們的特殊要求訪問(wèn)和仿真模擬部分的性能。而今，產(chǎn)品的快速上市(Time to market)策略尤其重要。因此，數(shù)字嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師更快地一次性確定電源管理解決方案對(duì)任何終端產(chǎn)品來(lái)說(shuō)都非常關(guān)鍵。