医用动态电源管理模块设计方案

引言

　　与其他便携式电子产品一样，血流参数检测仪要做到小巧纤薄，坚固耐用，性能可靠，而且待机时间长。电源管理就是为了减少系统在空闲时间的能量消耗，使嵌入式系统的有效能量供给率最大化，从而延长电池的供电时间。为了延长电池的使用时间，在硬件领域，低功耗硬件电路的设计方法得到了广泛应用。然而仅仅利用低功耗硬件电路仍然不够，在系统设计中，提出采用“动态电源管理”概念，即把系统中不在使用的组件关闭或者进入低功耗模式(待机模式)。另外一种更加有效的方法就是动态可变电压DVS和动态可变频率DFS，即在运行时动态地调节CPU频率或者电压。这样可以在满足瞬时性能的前提下，使得有效能量供给率最大化。

　　1 系统设计

　　整个仪器设计采用S3C44B0芯片和uClinux操作系统。S3C44B0芯片是业界应用较多、功耗较低、成本低的中档产品。它提供五种工作状态：NORMAL、SLOW、IDLE、STOP和SL_IDLE[1]。系统正常工作在NORMAL状态，当用户无操作时段大于某一阈值时，则进入IDLE状态，用户按假关机键进入STOP状态，这时系统功耗很低。为了便于管理，应用层对电源管理状态进行了细划，引入电源管理的六个状态：数据采集状态、正常工作状态、准备状态、休息状态、IDLE状态和STOP状态。其中，IDLE状态和STOP状态与芯片提供的内容相同，由应用程序负责状态的迁移。整个仪器功耗最大的组件是背光(EL背光和键盘LED)、LCD和传感器驱动，其次才是CPU，电源管理状态迁移如图1所示。

　　图1 系统的电源管理状态迁移

　　1.1 电源管理模型

　　图2是电源管理的原理框图，其中包含6个模块：Vcore，Vio，Backup，Charge，Vdriver和Vlcd，它们分别为系统各部分供电。

　　图2 系统的电源管理框图

　　Vcore为系统内核供电，供电电压为1.8 V;Vio为系统的I/O口供电，供电电压为3.3V;Backup为系统备份电池供电，电池电压为3 V;Charge为充电电路，电池电压为3.6V的充电电池;Vdriver为传感器供电电路，电压为±5 V;Vlcd为LCD模块供电，供电电压为3.3V和200VCA。

　　电池充电的电路原理为：当CPU检测到有外接电源时，CPU使用ADC检测电池二端的电压，并判断是否需要充电;当电池两端电压低于设定值时，打开Charge电路给电池充电，并检测充电电流，以保证电池安全有效的充电，充电至设定值时停止充电;当无外接电源时，电池为整个系统供电，CPU检测电池电压，当低于某一设定电压时，决定报警还是关机，以保护电池。

　　Vcore和Vio分别为系统的内核和I/O口供电，同时Vio也为存储器供电。Backup电池为系统的备份电池。

　　Vdriver为传感器提供±5 V的电压，并保证电流为25±1 mA。

　　Vlcd为LCD模块提供二组电压，其中3.3 V为LCD显示提供电压，200VAC为LCD的背光提供电压。