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复杂系统的电源设计可以怎样做?

发布时间:2021-06-28
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复杂系统的电源设计可以怎样做?

发布时间:2021-06-28
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Autus I20 (MT2712) 是联发科技向市场提供的具备灵活接口和多显像解决方案的高性能六核车载信息娱乐系统,它内含四颗 ARM Cortex-A35 处理器和两颗 Cortex-A72 处理器,同时结合高性能的 ARM Mali-T880 MP4 GPU 和高达 4GB 的快速 LPDDR4 /DDR4,通过多媒体处理和高度灵活的视频及音频界面为车载信息娱乐系统提供了一个支持多种丰富应用的平台。通过连接组合芯片 MT6630,它还可将蓝牙、Wi-Fi 和 GNSS 添加到平台,为用户提供无线连接和导航服务。
关于 Autus I20(MT2712) 的特性,联发科技的官网列出了如下参数信息:
Processor
CPU Type 1: 2x ARM Cortex-A72 @ 1.6GHz
CPU Type 2: 4x ARM Cortex-A35 @ 1.2GHz
Cores: Hexa (6)
Heterogeneous Multi-Processing: Yes
Memory and Storage
Memory Type: DDR4, LPDDR4
Memory Frequency: 2800MHz
Max Memory Size: 4GB
Storage Type: eMMC 5.1
Connectivity
Wireless Connectivity: Bluetooth, GNSS, Wi-Fi
Bluetooth Version: 2.1 + EDR, 3.0, 4.1 (Low Energy)
GNSS: Beidou, Galileo, Glonass, GPS, QZSS (supporting concurrent tri-band reception)
Wi-Fi: Wi-Fi 5 (a/b/g/n/ac)
Data Interface: SDIO 3.0
Camera
Digital Camera Input: 4x1280x1080p30, 1920x1080p60
Analog Recording Input: NTSC/PAL 480p
Specific Function: Camera Connection Monitoring
Graphic and Video Processing
GPU Type: Arm Mali-T880 MP4
Video Encoding: H.264
Video Encoding FPS: 30 FPS
Video Decoding: H.264, H.265 / HEVC, MPEG-1/2/4, VP-8, VP-9
Video Decoding FPS: 60 FPS
Display
Display Outputs: MIPI-DSI (4 lane), LVDS (dual-link)
Display One: 2560x1600p60 (left/right; odd/even) or 2880x1080p60 (odd/even split)
Display Two: 1920x1080p60
Display Three: 800x480p60
Specific Function: Display Monitoring

这样一个包含多个内核、可以和多个摄像头及显示器连接、支持多种无线连接方式的系统,其电源需求必然是多种多样的,因为 CPU 和 GPU 内核通常工作在低压大电流、动态幅度大的状态,模拟信号的处理部分通常需要高精度、低噪声的稳压电源,I/O 接口部分则根据不同的用途有不同的需求,普通数字信号的 I/O 部分通常就是 3.3V 的标准电压,LVDS 接口则因为高速的数据传输而需要较低的电压,这样才能让差分传输的数字信号能够高速变化,否则就会消耗很高的功率,长线传输的摄像头则需要与视频信号一起共用传输线来传送电源,满足这样的混合需求就需要很复杂的电源设计,多个不同的转换通道是必须的,它们有的需要提供很大的电流,有的需要很高的精度,有的需要有很好的瞬态响应能力,同时还要有很严格的上电和断电时序,一旦某个地方考虑不周,最后得出的系统就不能满足要求,推倒重来就要花费很大的精力,同时造成很大的浪费,上市节点变得遥遥无期。

在为复杂系统供电时,如果电源供应本身是很稳定的,处理起来也相对简单点。如果电源供应本身就不稳定,需要考虑的问题就会复杂很多。Autus I20(MT2712) 是用于车内环境的,供电来源于其自身所带的蓄电池,寒冷天气下启动车辆或是大负载断电时就会造成电池总线电压的急剧波动,提供给信息娱乐系统的电压也就很难是稳定的了。
我们都喜欢在车上收听无线广播,而广播接收机对处于附近的电磁干扰是极其敏感的,电源设计中采用开关模式电源又基本上是必须的,电磁兼容的问题就必须被纳入考虑的范畴,你得把对广播频段的干扰降到可以被人接受的程度,否则最后的产品还是不能装车使用。

要用到车上去的 Autus I20(MT2712) 需要多少种电压供应呢?答案是 8 种,这还只是这颗芯片本身需要的,如果考虑整个系统的需要,那就更多了,上图所示的仅仅是 MT2712 内核部分的供电需求,其他部分还没有被包含在图中。

我们前段时间介绍了一款型号为 RTQ5115-QA 的电源管理 IC,其中包含有 4 路 Buck 转换器和 8 路线性稳压器,还有 MTP 存储器可以存放对它进行工作设定的数据,这款器件就可以被我们用来为 Autus I20(MT2712) 供电,对其不能满足需要的部分则用另外的器件来补足,这样就得到了一个很实用的车用信息娱乐系统 SoC 部分的电源管理方案:

在此图中,MT2712 的供电一部分来自 RTQ5115 的输出,一部分来自另外增加的 RTQ2134、RTQ2516 和 RTQ2103A。新增的  RTQ2516 的输入也出自 RTQ5115,其他几个大电流输出的器件都直接从 5V 输入取电,但控制它们的使能信号却都来自 RTQ5115 的输出,因为需要利用 RTQ5115 完善的时序管理能力来为 MT2712 的供电时序进行管理,图中以蓝色圆圈围起来的数字便是上电过程中各个电压轨上电的顺序编号,断电的顺序又是刚好倒过来的。我们知道车上是没有现成的 5V 电源可供使用的,上图中的 5V 输入来自哪里呢?看看下图便知道了:

来自电池总线的电压经过 EMI 滤波器和前置预稳压器以后便可以得到 5V 的输出,RTQ5115 和其他大电流 Buck 转换器的供电就是这样得来的。由于 RTQ5115 可以被设置为直接由其输入控制其上电、断电时序,当汽车电池总线因为冷启动而出现电压跌落太厉害的状态时,一旦不能稳定的 5V 输出低于 RTQ5115 预设的断电电压阈值,RTQ5115 就会主动启动断电时序并在其输入恢复正常以后再次尝试按照正确的时序开始新的启动过程,这种操作对于信息娱乐系统来说是可以接受的,就像我们平常启动汽车时车机会暂时关闭一下一样,关键在于这个过程中的车机系统能以可以预期的操作记下它的运行状态,再次上电以后又能接着前面的状态继续工作,所以这样的设计能很好地满足 MT2712 的供电需求。对于车用信息娱乐系统来说,通过测试来对其设计进行验证是非常必要的,所以我们的工程师可能就需要如下图这样来坐在车上进行工作:

图中的主角 Roland 在寒冷的冬天里把示波器放在车厢里的控制台上,钻进车里启动车子,最后得到的就是示波器屏幕上显示的冷启动电压波形。如果真实的车机测试也要这样做,工程师们一定都要累死了,即使这样努力一年也工作不了几天,到了深圳这样长年温度都很高的地方可能还得不到符合需要的测试结果,所以 Roland 便设计了下图所示的冷启动电压波形生成装置:

它能让你以极低的成本很容易地开展测试工作,其电路和在电路中的作用就如下图所示:

这是一个基本符合 ISO16750-2 标准的冷启动电压波形生成系统,它是尽量按照下图所示的标准图例来实现的。

每次要做这样的应用介绍时,Roland 都会很拼,他会把涉及到的相关技术都和盘托出拿给你看,真的是一点保留都没有,所以我的文字也只能是做个引子。如果你觉得这些东西可能对你有用,就请在文末点击阅读原文去看看它连接的几段视频(共有5段),相信对你了解车用电子产品的电源设计一定会有所帮助。


世界上的 SoC 系统种类多多,具有原配设计的电源管理系统并不常见,因为这样的 PMIC 设计、制造都是大工程,做起来的成本实在是太高。即使你所使用的并非 SoC,其他复杂系统的电源管理同样也是很复杂的,本文及我所推荐的视频中所包含的思想同样都是可以拿去做参考的。我曾经专门写了一篇文章来对 RTQ5115 的部分寄存器进行介绍,因为掌握了它们便可以对这样的 PMU 有一个比较全面的深入了解,可惜这样的文章不太吸引人,阅读量并不大,我也知道这样的东西不如快餐好吃,所以也就不再继续写了,如果真的有人感兴趣,到时候也许还会再写一些。

(以上内容来源于 RichtekTechnology授权转载)

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