王全振

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

隨著電子行業(yè)的進(jìn)步，手持設(shè)備發(fā)展越來越迅速，CPU頻率不斷提高，性能不斷增強(qiáng)。目前制約手持設(shè)備最大的瓶頸是供電問題，手持設(shè)備有體積要求，因此電池的體積也不能太大，體積小限制了電池的容量也不可能做大，即所謂的“電池鴻溝”[1]。在電池容量一定的前提下，手持設(shè)備的低功耗設(shè)計就顯得尤為重要。手持設(shè)備低功耗[2]設(shè)計首先在硬件方面要選擇具有低功耗特性的CPU，其次在軟件調(diào)節(jié)下才能實現(xiàn)最佳效果。在此背景下 DVFS[3]應(yīng)運(yùn)而生。DVFS[4]即動態(tài)電壓頻率調(diào)整[5]，是根據(jù)芯片所運(yùn)行的應(yīng)用程序?qū)τ嬎隳芰Φ牟煌枰?，動態(tài)調(diào)節(jié)芯片的運(yùn)行頻率和電壓。

S3C6410[6]芯片是三星公司生產(chǎn)針對嵌入式低功耗系統(tǒng)的高性能CPU，廣泛應(yīng)用于工業(yè)及民用領(lǐng)域，該芯片高性能的ARM核及優(yōu)化的外圍模塊特別適合做手持設(shè)備。S3C6410[8]芯片支持DVFS，一般在非民用手機(jī)的手持設(shè)備上不會選用價格昂貴的集成電源管理芯片，本文選用的TPS62402[9]芯片是TI公司生產(chǎn)的一款具有雙路輸出的DC/DC的電源芯片，該芯片具有的EasyScaleTM接口，可以方便地實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。

1 硬件設(shè)計

1.1 原理圖設(shè)計

TPS62402含有兩路DC/DC轉(zhuǎn)換器，OUT1輸出電流為 400 mA，OUT2輸出電流為 600 mA，轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)95%，2.5 V～6 V的電壓輸入范圍非常適合手持設(shè)備采用電池來供電，OUT1（DEF_1為低時）輸出電壓范圍以 0.025 V為步進(jìn)從 0.8 V～1.575 V，OUT2固定為3.3 V輸出，其DEF_1管腳設(shè)定OUT1初始輸出電壓值，當(dāng)DEF_1為高電平時OUT1輸出1.8 V，當(dāng)DEF_1為低電平時輸出1.2 V。本文實際使用電路如圖1所示，其中Vin為電源輸入；EN1和EN2為OUT1和OUT2使能管腳，OUT2設(shè)置為系統(tǒng)上電即開始不間斷工作，OUT1連接至S3C6410的 PWRRGTON管腳，以便在低功耗模式時關(guān)閉OUT1電源輸出；DATA_SET為設(shè)置OUT1電壓值的通信控制管腳；SW1和FB1搭配2.2 μH 電感及 10 μF 電容組成 OUT1，DEF_1 連接至地設(shè)置上電 OUT1初始電壓為 1.2 V；SW2和 ADJ2搭配 2.2 μH電感及 10 μF電容組成 OUT2，固定輸出電壓3.3 V。

圖1 TPS62402電路設(shè)計

1.2 印制板設(shè)計要點

電路中使用的兩個電感應(yīng)該選擇屏蔽式的功率電感，并至少留出50%的電流余量，例如L3應(yīng)選擇最小可通過 900 mA的電感。布局時，C83、C84應(yīng)盡可能靠近TPS62402，電源的輸出端要增加線寬或采用覆銅方式。

2 軟件設(shè)計

2.1 接口描述

TPS62402具有EasyScale接口，即一線式串行動態(tài)電壓調(diào)整接口，官方定義為：One-Pin Serial Interface for Dynamic Output Voltage Adjustment。

EasyScale接口以方波傳輸數(shù)據(jù)，其1和0以高低電平占一個周期的時間來定義：當(dāng)高電平時間至少大于兩倍的低電平時間則為1；反之低電平時間至少大于兩倍的高電平時間則為0。每一次發(fā)送數(shù)據(jù)為16 bit，高8 bit為地址數(shù)據(jù)，低8 bit為電壓數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式如表1所示。

表1 接口數(shù)據(jù)格式

高 8 bit DA0～DA7固定為 0x4E；低 8 bit中的 RFA為請求答復(fù)設(shè)定，如果置1則TPS62402收到數(shù)據(jù)后會發(fā)出答復(fù)信號；當(dāng)DEF_1為低時，A1和A0設(shè)置為00；D4～D0為電壓值，對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)與電壓對應(yīng)關(guān)系

2.2 驅(qū)動流程及代碼

DVFS技術(shù)需要軟硬件共同配合才能完成，常規(guī)流程包括以下5步。

（1）采集與系統(tǒng)負(fù)載有關(guān)的信號，計算當(dāng)前的系統(tǒng)負(fù)載。

（2）根據(jù)系統(tǒng)的當(dāng)前負(fù)載，預(yù)測系統(tǒng)在下一時間段需要的性能。

（3）將預(yù)測的性能轉(zhuǎn)換成需要的頻率，從而調(diào)整芯片的時鐘設(shè)置。

（4）根據(jù)新的頻率計算相應(yīng)的電壓。

（5）通知電源管理模塊調(diào)整CPU的電壓。

在調(diào)整電壓和頻率時要特別注意順序，因為頻率越高需要的電壓也越高，所以當(dāng)頻率從高到低時要先調(diào)整頻率再降低電壓；頻率從低到高時先升高電壓再調(diào)整頻率。另外電壓及頻率調(diào)整的頻率不能過高，否則反而會增加系統(tǒng)能量消耗。S3C6410的核心頻率設(shè)置為9擋，電壓4擋，對應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 頻率電壓對應(yīng)關(guān)系

本系統(tǒng)中使用S3C6410的GPK13管腳來發(fā)送數(shù)據(jù)，Linux源碼中已經(jīng)包含DVFS，TPS62402驅(qū)動的相關(guān)函數(shù)及功能介紹如下。

setbit（）函數(shù)中的 udelay（）函數(shù)為微秒延時函數(shù)，延時高低電平時間比為3，滿足至少大于兩倍關(guān)系。

實際電路首先測試TPS62402輸出電壓與設(shè)定值的偏差，使用萬用表測試PCB板上OUT1經(jīng)過電容以后的電壓，通過對表4的觀察可以發(fā)現(xiàn)TPS62402的輸出特別準(zhǔn)確。在實際使用中，對比使用DVFS前后的功率消耗，同一設(shè)備，同一塊電池，在同等條件下手持設(shè)備使用時間增加25%左右。

表4 電壓對比

[1]LAHIRI K， RAGHUNATHAN A， DEYS， et al.Batterydriven system design：a new frontier in low power design[C].Proceedings of 7th Asia and South Pacific and the 15th International Conference on VLSI Design， Bangalore， India，2002：261-267.

[2]馬天義.低功耗軟硬件劃分算法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[3]YUN J，SINGH D K.Dynamic voltage and frequency scaling over delay-constrained mobile multimedia service using approximated relative complexity estimation[J].Doug Young Suh EURASIP Journal on Embedded Systems，2013.

[4]張立.基于DPM和DVFS的嵌入式系統(tǒng)低功耗優(yōu)化技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.

[5]黃建科，周云.基于自適應(yīng) DVFS的SoC低功耗技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（7）：120-122.

[6]鄧中亮，張紅星，延明，等.基于 S3C6410和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的手持終端設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2011（2）：1-4.

[7]張堃.基于ARM9的嵌入式軍用手持終端系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2011.

[8]Samsung.S3C6410 datasheet[EB/OL].www.samsung.com

[9]TI.TPS62402datasheet[EB/OL].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tps62402.pdf