智能手机和平板电脑设计中的单键开/关机和复位的智能方案

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1 引言
随着大量新兴数据业务的应用,智能手机和平板电脑功耗水平大幅度提高,导致待机时间也大幅度缩短。为了能否延伸待机时间,内置电池的设计变得越来越普及。这是因为锂电池的一半体积是由其结构件所占据的,如果电池内置于智能手机和平板电脑机身中,就可以节省锂电池的结构件体积,从而在相同乃至更大的体积上大大提高电池的容量。如此一来,电池的容量确实得到了大幅度增加,伴随着也产生了一个新的问题——如果智能手机和平板电脑在应用过程中发生软件系统卡机的情况,如何进行系统的复位操作?
 
与产品的主要功能相比,解除卡机状况的机械复位装置通常比较落后。为防止设备意外复位,大多数手动复位键(如果有的话)都掩藏在机身内。因为复位键很难触及,所以拆卸电池成为非常普遍的解决办法。但是,这种做法不仅用户感受度较差,并且增加了成本,还可能会损坏系统,例如,使重要的数据丢失。
 
那么,在内置电池设计的智能手机和平板电脑中,如何进行系统的硬件复位呢?本文介绍了一种硬件智能复位的解决方案,不仅可以在智能手机和平板电脑设计中实现双键长按的智能复位,还可以实现在智能手机和平板电脑中流行的单键开/关机和复位的智能方案。
 
2  智能手机和平板电脑应用平台的开/关机和复位的机制和隐患
在当今智能手机和平板电脑的主流平台中,通常都存在应用处理器(Application Process / Baseband, 下简称AP)加电源管理芯片(Power Management Unit, 下简称PMU)的架构,如图1所示。
 
 图1. 智能手机和平板电脑中AP + PMU的硬件架构
 
在这种硬件架构中,在PMU上设置有一个电源开关管脚与一个机身上的一个机械开关相连(下简称Power_Key)。
 
当手机处于关机状态的时候,按下Power_Key将PMU的电源开关管脚拉到地,将启动PMU上电过程:PMU启动LDO为AP供电,同时发出硬件复位信号给AP,当AP软件系统启动完毕后,回送一个PS_HOLD信号将PMU的PS_HOLD管脚拉高,并且在工作状态一直维持为高电平;如果在一定的时间内(Tpshold时间),AP没有能将PS_HOLD管脚拉高,则表明AP启动失败,PMU自动进行下电过程。通常要求Power_Key和PS_HOLD信号之间存在一定的关系,即Power_Key信号必须保持为低电平直至PS_HOLD信号被AP驱动为高,如图2所示。这是因为,如果发生了AP上电初始化失败而没能在设置的时间Tpshold内将PS_HOLD信号拉高,Power_Key仍然维持为低能够确保PMU将被触发再一次上电过程,从而确保上电成功。
 
图2. PMU的Power_Key和PS_HOLD信号的时序关系
 
当手机处于开机状态的时候,按下Power_Key将PMU的电源开关管脚拉到地,PMU将发送中断给AP,AP将根据中断请求进行响应,将PS_HOLD管脚拉到地,PMU自动进行下电过程。
 
在这个机制中,存在一个显见的隐患:当AP的系统软件卡机的时候,它将无法响应PMU发送的下电中断请求,也就无法进行关机或复位操作了。可能的解决方法如下:在PMU的PS_HOLD管脚输入端设置一个按键开关S1,当S1被按下,PS_HOLD信号被拉低到地,触发PMU的下电过程,如图3所示。
 
 图3. AP + PMU的硬件架构中的手工复位方案
 
这个方案固然可行,但是需要将S1隐藏在不易触发的小孔中,平时用户是不能够触碰这个复位开关S1的。除了用户感受不好和增加了设计成本与风险外,这个方案还存在一个问题——当下流行的智能手机或平板电脑的设计只有一个机械按键,也就是连接到PMU电源开关管脚的开关Power_Key。在这种设计中,Power_Key和S1是不能够设置在一起的。原因如图4所示。
 
图4. AP + PMU的硬件架构中开/关机按键和复位按键不能合二为一的原理图
 
当系统处于关机状态时,如果Power_Key被短按,PMU将触发上电过程,当AP上电启动完毕后将PS_HOLD信号拉高——此时不管按键是按下还是松开的状态,PMU的PS_HOLD都可以在Tpshold时间内经过R2/C1/R1被及时拉高,系统上电成功不存在问题。当系统处于开机工作状态时,如果Power_Key被按下,由于PS_HOLD信号立即被拉低,PMU将进入下电过程。按键释放的时刻,系统可能处于下电过程或者上电过程的某个阶段,最终导致有可能关机和有可能系统复位的不可以预测的结果,这是产品设计所不可以接受的,如图5所示。更重要的是,采用这样的设计,系统也就根本无法实现软件关机功能了。所以,在这种电路设计中,Power_Key和S1是不能够设置在一起的。
 
 
图5. AP + PMU的硬件架构中开/关机按键和复位按键不能合二为一的时序
 
为了校正PMU自身没有专门的硬件复位输入管脚,而需要借助PS_HOLD信号拉低进行复位的这个缺陷,新的PMU中开始引入了专门的RESET_IN的复位管脚,允许外部电路通过这个管脚硬件复位PMU。但是,这里仍然存在的问题是——PMU的规格要求开/关机按键和复位按键必须在物理上分开,不能设置在同一个按键上,需要将复位按键隐藏在机身上的检修孔中,无法实现单键开/关机和复位的方案。
 
那么,有没有一个硬件方案能够使开/关机按键和复位按键合二为一,实现智能手机和平板电脑设计中的单键开/关机和复位的智能方案呢?
 
3  智能手机和平板电脑设计中的单键开/关机和复位智能方案
意法半导体STM65xx系列智能复位芯片系列有两个或者一个输入,可以连接设备上的两个或者一个功能键。如果这两个键被同时或单个键被按住一定时间(时间长短可以设置或根据型号进行选择),复位芯片将向主处理器发送一个复位信号。复位芯片的两个或者一个输入和延时设定功能,使按键的“普通功能”和按键的“系统复位功能”合二为一,同时能有效地防止设备被意外复位。
 
在智能手机和平板电脑设计中,当下流行单键开/关机和复位的设计,即整个机身上只有一个机械按键,该按键盘承载了开/关机和卡机复位的功能。STM65xx智能复位芯片系列中的STM6513能够非常圆满地实现这个功能。设计者只要将STM6513的SR0和SR1输入管脚可以连接在Power_Key上(需要双键长按复位的设计,则只需要将/SR0和/SR1分别连接到不同的功能按键上即可),/RST2连接到AP的复位输入管脚,而RST1连接到PMU的PS_HOLD管脚上,这样就可以轻松地实现智能手机和平板电脑设计中的单键开/关机和复位的智能方案,如图6所示的方案1。
 
图6. 采用STM6513的单键开/关机和复位的智能方案1
 
当系统处于关机状态时,如果Power_Key被短按,PMU将触发上电过程,当AP上电启动完毕后将PS_HOLD信号拉高,系统上电成功不存在问题。由于设计中Power_Key被短按,不会触发STM6513的延时复位功能(可选,例如8秒钟)。
 
当系统处于开机工作状态时,如果Power_Key被按下,超过一个的时间(可选,例如8秒钟),/RST2输出低电平有效的复位信号给AP,同时RST1管脚输出高电平信号。由于PMU PS_HOLD输入管脚上两个二极管组成的线与功能电路的存在,在AP进行复位的时候,STM6513输出的RST1将保持为高(RST1的trec,可以根据需要通过STM6513的外接电容管脚进行设置),直到AP将PS_HOLD管脚驱动为高。这样一来,在进行系统复位的时候,只是AP被STM6513进行了复位,而PMU实际没有下电过程,可以确保系统复位成功。另外,由于系统复位过程中PMU没有下电,缓存数据不丢失,还可以实现死机时用户应用数据保存的功能。
 
有些设计者可能倾向于在系统重启过程中,PMU也能够进行重启。对于这类设计者,也可以只使用STM6513的/RST2管脚连接到PMU的PS_HOLD管脚上(对于存在RESET_IN的PMU,可以连接在RESET_IN管脚上),如图7所示的方案2。当系统处于开机工作状态时,如果Power_Key被按下,超过一个的时间(可选,例如8秒钟),/RST2输出低电平有效的复位信号将PMU的PS_HOLD信号拉低。由于/RST2的trec为固定的(例如210ms),也就是说,/RST2在复位信号维持210ms低电平之后将后变为输出高阻状态,从而释放了PMU的PS_HOLD信号,PMU的PS_HOLD将完全由AP的PS_HOLD输出管脚的状态控制。由于此时Power_Key仍然为低电平,PMU将被触发再一次的上电过程,最终上电成功。
 
图7. 采用STM6513的单键开/关机和复位的智能方案2
 
对于采用方案2的设计者,一个成本更优的方案是采用意法半导体公司新推出的STM6519芯片,该芯片是单键延时复位芯片,复位延迟时间通过型号选择,只有一个/RST复位输出信号,采用UDFN6或UDFN4 1.0x1.45mm封装,如图8所示。
 
图8. 采用STM6519的单键开/关机和复位的智能方案
 
采用意法半导体STM6513或STM6519智能复位产品,都可以实现以下单键开/关机和系统复位过程:
在关机状态,短按键,上电开机;在开机工作状态,在AP系统软件没有卡机的前提下,短按键,AP对应在显示屏上显示“返回?关机?”供用户选择——如果确认返回,则返回;如果确认关机,则AP将PS_HOLD拉低,PMU进入下电过程,最后关机。在AP系统软件卡机的情况下,长按键(可选,例如8秒钟),系统进行硬件复位,重启开机。
 
4 小结
本文首先介绍了智能手机和平板电脑平台上AP+PMU硬件架构的复位机制和存在的隐患,然后阐述了采用意法半导体STM6513和STM6519智能复位芯片,实现双键长按复位,特别是在智能手机和平板电脑中流行的单键开/关机和复位的智能方案。
 
意法半导体公司STM65xx智能复位芯片系列使产品设计人员能够去除传统复位键以及机身上隐藏复位键的检修孔,不仅节省了成本,降低了设计风险,并且提升了用户使用满意度。
 
参考文献
[1] Data sheet of ‘STM6513 Dual push-button Smart Reset with dual reset outputs and user-selectable setup delay’, Rev2.0, Jun 2010; https://www.st.com/internet/analog/product/241463.jsp;

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