系统芯片电源管理模块的设计.pdf

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1、第8卷第3期电路与系统学报Vol.8No.32003年6月JOURNALOFCIRCUITSANDSYSTEMSJune，2003文章编号：1007-0249(2003)03-0019-04*系统芯片电源管理模块的设计何乐年，王云峰，严晓浪（浙江大学超大规模集成电路设计研究所，浙江杭州310027）摘要：超深亚微米系统芯片具有规模大，复杂度高，系统时钟频率快的特点。传统的由外部电源直接给芯片供电的方式，由于稳定性等问题往往不能保证芯片正常工作。本文提出了在系统芯片（SOC）中加入电源管理模块，用动态方法对外部电源进

2、行管理的设计思想，达到稳定供电，低电压检测，以及保护随机存储器（RAM）内容等目的。本文给出了电源管理模块的设计方法。电路仿真结果表明当外部电源电压从3.6V降到2.7V时，电源管理模块的输出电压变化为0.2592V。关键词：电源管理模块；低电压检测；电压转换；随机存储器保护电路中图分类号：TN-702文献标识码：A1引言随着集成电路设计技术和超深亚微米技术的高速发展，集成电路设计已经步入系统芯片（SOC：System-On-Chip）时代。SOC可以在单一硅芯片上集成嵌人式微处理器、存储器、接口电路、时钟电路等数

3、字电路与模拟电路的功能模块，可实现一个完整的电子系统功能。它具有集成度高，时钟频率快的特点。因此，SOC的出现对提供能源的电源提出了更高的要求。例如，电源电压的变化可导致数字电路不满足时序要求，从而使系统不能正常工作；此外，电压过低时，会导致随机存贮器（RAM）里内容遭到破坏，引起芯片的不正常工作。电源管理电路就是为解决上述问题而引入的。特别是在应用越来越广泛的由电池作为电源的移动嵌入式应用系统中，电源管理尤为重要。一些系统设计者采取的电源管理设计方法是采用外加电压转换电路芯片，以及低电压[1-2]检测电路芯片。这

4、一策略存在缺陷，第一，使板级系统的面积增大；第二，没有实现对RAM的保护；第三，系统芯片中的微处理器缺乏对电压转换电路的控制。为此，本文提出在SOC中加入电源管理模块，用动态方法对外部电源进行管理的方法，以解决上述缺陷，并实现稳定的供电、电源启动、保护RAM内容和低电压检测等功能。2电源管理模块电路结构与设计方法图1电源管理模块的结构图本论文中的电源管理模块采用混合信号设计技术，用数字电路来对电源进行动态管理，模拟电路实现对电源电压的检测和转换。电源管理模块结构和其信号名的定义分别如图1和表1所示。电源管理模块由低

5、电压检测电路与电源启动电路、电压转换电路、驱动电路、控制逻辑电路、RAM保护电路等五部分构成。*收稿日期：2003-01-06修订日期：2003-03-3120电路与系统学报第8卷电源启动电路负责电源的启动和重启，产生电源启动信号；低电压检测电路是对内部电源（Vregd）进行监测，产生低电压事件信号；电压转换电路在逻辑控制电路的控制下，对外部电源进行转换，提供电压（Vnominal）给驱动电路；三个驱动电路分别向系统芯片中的快闪存储器（Flash）、锁相环（PLL）和微控制器（MCU）提供电源电压；逻辑控制电路是电

6、源管理模块的大脑，和MCU、电源启动电路、低电压检测电路相互关联，对电压转换电路进行控表1电源管理模块结构图（图1）中的各信号定义制，达到确定电源管理模块工作状态的目的，实现信号名意义Vdd为MCU等数字逻辑电路供电的外部电压对电源的动态管理。随机存贮器保护电路是根据外Vddpll为PLL等模拟电路供电的外部电压部实际电压的情况，在电压Vregd和Vstby之间进行选Vddf为Flash供电的外部电压Vstby为RAM供电的外部电压择，为RAM提供一个不间断电源，保护其内容不Vregd转换后为MCU等数字电路供电的

7、内部电压被破坏。本文以下部分将讨论各个电路模块的工作Vregpll转换后为PLL等模拟电路供电的内部电压Vreg转换后为Flash供电的内部电压原理。Vregr转换后为RAM供电的内部电压Stby_b为RAM供电时的标志信号2.1电源启动电路与低电压检测电路电源启动电路的结构如图2所示，当外部电压Vddpll从零升高到某一个低电压时，图2中电流参考信号（Iref）和电压参考信号（Vstopbias）就有了初值，此时信号Por_set被置于高电平，激励电源启动信号锁存电[3]路对信号Por_set进行锁存，并产生电源

8、启动信号（Por：PowerOnReset）,启动系统。外部电压继续升高，到某一值以后，Por_set就被置于低电平，但是由于电源启动图2电源启动电路示意图信号锁存电路锁存了最初的高电平，所以电源启动信号维持有效。当系统完成启动以后，图1中的逻辑控制电路产生电源启动释放信号（Por_release）,从而释放掉Por,结束系统启动过程。因为要求参考信号在一个