通过定制电源管理集成电路轻松缩短上市时间

2024-05-09

摘要

电源管理集成电路(PMIC)有益于简化最终应用并缩小其尺寸，也因此备受青睐。然而，当默认启动时序和输出电压与应用要求不符时，就需要定制上电设置。大多数情况下，电路没有可以存储这些设置的非易失性存储器(NVM)。对此，低功耗微控制器是一个很好的解决方案，其功能特性和所包含的工具可以在上电时对PMIC控制寄存器进行编程，而不需要开发固件。本文将探讨如何使用工具链来解决集成难题。该工具链无需开发固件，能够简化PMIC的定制过程，并显著缩短开发周期。

简介

为了减小手持设备、智能相机和其他便携式设备的尺寸并降低成本，设计时需使用高度集成且功能强大的器件。MAX77714是一款高度集成的PMIC，包含多个降压转换器、低压差(LDO)稳压器、通用输入输出(GPIO)和实时时钟(RTC)，可用于生成应用所需的所有电源轨。

灵活的时序控制器支持针对目标应用定制上电和关断时序。

这款PMIC提供的几种V_OUT/时序控制器选项（由完整产品型号定义）不符合应用要求。为了提高灵活性，可以使用低功耗微控制器作为替代解决方案。该器件可以在上电时唤醒，对器件寄存器进行编程，然后休眠以节省电力。

要求高集成度的中等规模应用需要采用现成器件的简单解决方案，并根据需求定制操作。

硬件设计人员一直希望能够拥有可以自动生成固件代码的工具，让他们可以在前期开发时避免涉及软件资源，同时还能优化资源的使用。

MAX28200

MAX28200是一款低功耗、小尺寸（1.7 mm × 1.8 mm）RISC微控制器，带有多种外设。对于此应用，我们使用两个GPIO引脚作为位触发I²C 主机。

电源电压最高为3.6 V，因此如果输入电压超过3.6 V，则使用始终开启的LDO稳压器为微控制器供电。该器件可以通过 I²C 节点接口进行编程。

MAX77714

MAX77714（图1）是一款高度集成的PMIC，包含四个降压转换器、九个LDO稳压器、八个GPIO、一个RTC和一个灵活的电源时序控制器(FPS)。降压转换器和LDO稳压器按照默认时序和电压上电，并遵循电压轨规范。用户可以通过 I²C 嵌入式接口进行修改。然而，在大多数情况下，我们需确保默认时序和电压与连接到PMIC的器件的要求相匹配；如果电压超过其最大额定值，器件可能会损坏。

上电和关断时序也很重要，因为现场可编程门阵列(FPGA)等器件为了正常运行，需要按照正确的时序使能和禁用电压。图2为默认上电时序。共有八个时隙，电压可以在任意一个时隙中使能。该器件可以由高达5.5 V的电压供电。

Figure 1. A MAX77714 simplified block diagram. — 图1. MAX77714简化功能框图。

Figure 2. A MAX77714EWC+ default power-up sequence. — 图2. MAX77714EWC+默认上电时序。

器件接口

P0.0和P0.1用于生成针对PMIC的 I²C事务；P0.2负责监控GPIO4的状态；P0.3利用SPDT开关选择 I²C主机（MAX28200或主机微控制器）。模拟开关是选配项，仅在主机微控制器需在上电后控制PMIC时才需要配置（见图3）。

Figure 3. The MAX28200 and MAX77714 interfacing with the MAX14689 and the ADP166. — 图3. MAX28200和MAX77714与MAX14689和ADP166连接。

上电复位(POR)如图4所示：

P0.3置为低电平，选择该器件作为PMIC的I²C 主机。
写入以下所需的数据寄存器。
P0.3置为高电平，选择主机微控制器作为 I²C主机，该器件进入休眠模式。
P0.2连接到GPIO4，用于在关断时唤醒器件并对寄存器重新编程。

请注意，在配置结束时，必须将GPIO4置为高电平。

一旦使用EN0和EN1信号使能PMIC，它就会以新的时序/电压配置上电。

Figure 4. A MAX28200 program flow. — 图4. MAX28200程序流程。

MAX77714上电和关断时序由此处提供的MAX77714 GUI定义。

使用“GUI导入/导出”选项卡，可以将寄存器值导出为Excel文件。

在展示如何使用GUI EVKIT之前，我们需要先知道哪些寄存器对于定制启动很重要。

MAX77714寄存器详细信息

降压转换器

每个降压转换器实例都有三个相关寄存器（SDx_CNFG1、SDx_CNFG2 和SDx_CNFG3），用于定义启动电压、斜坡速率和工作模式。

CNFG1用于设置输出电压，7位至8位位域如下：

VSD0 = 0.26 V + ((SD0VOUT[6:0] - 1) × 10 mV) 范围为0.26 V到1.56 V

VSD1 = 0.26 V + ((SD1VOUT[6:0] - 1) × 10 mV) 范围为0.26 V到1.56 V

VSD2 = 0.6 V + (SD2VOUT[7:0] × 6.25 mV) 范围为0.6 V到2.194 V

VSD3 = 0.6 V + (SD3VOUT[7:0] × 12.5 mV) 范围为0.6 V到3.7875 V

CNFG2和CNFG3寄存器用于选择斜坡速率（2.5 mV/μs或10 mV/μs）、使能/禁用主动放电、使能/禁用跳频模式、选择响应时间和过压阈值。

LDO电压调节器

每个LDO稳压器实例都有两个相关寄存器（LDO_CNFG1_Lx和LDO_ CNFG2_Lx）。

CNFG1设置输出电压：

LDO0和LDO1为0.8 V至2.375 V。

VLDO = 0.8 V + (VOUT_LDO[5:0] × 25 mV)

LDO2、LDO3、LDO5、LDO6、LDO7、LDO8为0.8 V至3.95 V

VLDO = 0.8 V + (VOUT_LDO[5:0] × 50 mV)

LDO4为0.4 V至1.275 V

VLDO = 0.4 V + (VOUT_LDO[5:0] × 12.5 mV)

CNFG2用于使能/禁用过压箝位、使能/禁用自动低功耗模式、使能/禁用主动放电、选择快速/慢速启动。

GPIOs

每个GPIO实例都有一个相关寄存器CNFG_GPIOx，该器件负责选择方向GPO/GPI、输出类型（开漏/推挽）和输出驱动电平（若为GPO），以及输入驱动电平、中断行为和去抖动配置（若为GPI）。

FPS

时序由xxxFPS寄存器定义，LDO0FPS至LDO8FPS用于线性稳压器， SD0FPS至SD3FPS用于降压转换器，GPIO0FPS、GPIO1FPS、GPIO2FPS、 GPIO7FPS用于GPIO，RSTIOFPS用于复位。

FPS[2:0]用于设置关断时隙（SLOT0至SLOT7）

FPS[5:3]用于设置上电时隙（SLOT0至SLOT7）

FPS[7:6]用于设置分配的时序控制器（FPS0、FPS1）

FPS0由EN0使能，FPS1由EN1使能

上电和关断时隙的大小可以利用MSTR_PU_PD寄存器指定：

MSTR_PU_PD[2:0]用于指定关断时隙，MSTR_PU_PD[6:4]用于指定上电时隙

可能的步长为：31 μs、63 μs、127 μs、253 μs、508 μs、984 μs、1936 μs、 3904 μs，MAX77714EWC+的默认值为3904 μs。

GUI实际应用

在图5中，已利用GUI将SD0的输出电压修改为0.7 V。

Figure 5. GUI used to modify SD0 voltage. — 图5. 用于修改SD0电压的GUI。

SD0上电和关断时序已修改为时隙2（图6）。

Figure 6. GUI used to modify SDO slot number. — 图6. 用于修改SDO时隙号的GUI。

GPIO4已配置为推挽输出，驱动电平为高电平（图7）。

Figure 7. GUI used to configure GPIO4. — 图7. 用于配置GPIO4的GUI。

最后，使用“导入/导出”选项卡将修改后的寄存器值导出为 Excel文件（图8）。

Figure 8. GUI used to export register values. — 图8. 用于导出寄存器值的GUI。

以下是生成的.csv文件（图9）。

Figure 9. The format of the MAX77714 .csv file. — 图9. MAX77714 .csv文件的格式。

请注意，如果必须在上电期间对连接到 I²C的其他器件进行编程，用户可以使用相同格式将其他命令附加到.csv文件。

从.csv文件创建 I²C 主机固件

您可以点击此处获取MAX28200 GUI，按照以下步骤可对器件进行编程：

从.csv文件构建.hex文件（图10）。
. 对器件进行编程（图11和图12）。

Figure 10. Build a .hex file from the original .csv file. — 图10. 从原始.csv文件构建.hex文件。

Figure 11. A programming device with the selected script. — 图11. 使用选定脚本对器件进行编程。

Figure 12. A programming device with a data pattern. — 图12. 使用数据模式对器件进行编程。

对建议解决方案进行测试

一旦在上电时使用MAX77714.hex进行编程，P0.3就会置为低电平，以将MAX77714 I²C线连接到MAX28200，并使用新值对SD0和GPIO4寄存器进行编程（图13）。

Figure 13. The MAX77714 SD0 and GPIO4 registers are programmed with new values. — 图13. MAX77714 SD0和GPIO4寄存器已用新值进行编程。

现在，当MAX77714使能时，EN0置为高电平，SD0将按照编程设定，以0.7 V在时隙2上电。图14为寄存器写入之前上电(a)和寄存器写入之后上电(b)的情况。

Figure 14. SDO power-up before and after registering writing. (a) Power-up before register writing. (b) Power-up after register writing. — 图14. SDO在寄存器写入之前和之后上电。(a)寄存器写入之前上电。(b)寄存器写入之后上电

关于作者

Franco Contadini

Franco Contadini拥有超过35年的电子行业从业经验。在从事电路板和ASIC设计工作10年之后，他成为现场应用工程师，为工业、电信和医疗客户提供支持，主要负责电源和电池管理、信号链、加密系统和微控制器。 Franco撰写了多篇关于信号链和电源的应用笔记和技术文章。在意大利热那亚国际信息学院学习期间，他主修电子学。

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