【Zephyr电源与功耗专题】13_PMU电源驱动介绍

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前言

电源管理系统是低功耗设备和芯片正常运行的基石，选择合适的电源管理单元（PMU）芯片能够显著提高电量检测精度和电源管理算法效率。本文介绍的PMU芯片包含2路DCDC和6路LDO，在Zephyr实时操作系统下实现了完整的电源管理解决方案。

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一、PMU系统介绍

PMU（Power Management Unit）是专用于系统电源管理的集成电路，负责电压调节、电池充电管理、电量监测等功能。本文所述的PMU芯片具有以下特性：

• 2路高效DCDC转换器

• 6路低噪声LDO稳压器

• 集成电池充电管理

• 高精度电量计量功能

• 双核通信架构（M-Core和B-Core）

二、Zephyr系统下驱动PMU的组成

2.1：PMU系统在Zephyr上包括五大部分：

• Power_domain驱动 - 电源域管理

• regulator驱动 - 电压调节器控制

• charger驱动 - 电池充电管理

• fuel_gauge驱动 - 电量计量功能

• soc驱动 - 芯片级系统集成

2.2：功能说明

Power_domain：该驱动是用在确定小核（B-Core）初始化好pmu相关的rpmsg的端点，大核（M-Core）当接收到小核发来的初始化状态即完成初始化。

regulator：该驱动用来设置PMU芯片各路电源的电压，具体实现是通过rpmsg发命令在B-Core实现的（pmu操作除刚开机的初始化操作在Main_Core上外,其他全部由B-Core操作）。

charger: 该驱动有两个功能，一个功能把设备树中的满电电压、终止充电电流等信息发送给B-Core，方便其初始化电池的充电信息。另一个功能是B-Core将vbus的拔插信息发送给M-Core，然后由M-Core上传该信息。

fuel_gague: 该驱动主要是上传电池的电量和电源信息到InPut子系统。

soc： 该驱动是芯片的主驱动，主要完成芯片相关的初始化配置。

2.3：B-core功能说明(Freertos)

具体操作逻辑如下：

• 初始化pmu相关的rpmasg端点
• 与M-Core确定双方有关于rpmsg信息是否都准备好
• 接收M-Core所传的pmu初始化相关的信息并初始化pmu
• 判断电池状态并上传给M-Core
• normal模式下不断检测电流、电压信息估算电量，低功耗模式下使用最低功耗估算电量
• 接收M-Core配置pmu信息

三、PMU各驱动API详解

3.1:Power_domain

3.1.1：初始化

 	rpmsg_lite_mgr_create_ept(RPMSG_LITE_MGR_EPT_ADDR_M_Core_PMU, M_Core_rpmsg_pmu_cb, (void *)dev);while (!data->B_Core_pmu_init_flag) {k_sleep(K_MSEC(1));}

说明：

• M-Core创建与B-Core的双核通讯节点，并设置回调函数
• 等待B-Core返回初始化成功标志位

3.1.2：rpmsg回调函数

static int Main_Core_rpmsg_pmu_cb(void *payload, uint32_t payload_len, uint32_t src, void *priv)
{data->c400_pmu_init_flag = true;rpmsg_lite_mgr_send(RPMSG_LITE_MGR_EPT_ADDR_Main_Core_PMU, RPMSG_LITE_MGR_EPT_ADDR_B_Core_PMU, (uint8_t *)&data-				    >B_Core_pmu_init_flag, sizeof(data->B_Core_pmu_init_flag));return 0;
}

说明：

• 触发回调说明B-core初始化成功
• 再次返回ACK给B-core

3.2:regulate

3.2.1：电压范围设置

static const struct linear_range dcdc1_ranges[] = {LINEAR_RANGE_INIT(400000, 20000, 0, 48),
};static const struct linear_range dcdc2_ranges[] = {LINEAR_RANGE_INIT(840000, 20000, 0, 63),
};

说明：

• 由于PMU电源芯片，无法识别一些无限小数电压和大数值电压，因此做了限制
• 根据用户输入的配置电源，选择一个合适且接近的电压

3.2.2：PMU芯片各路的使能与失能:

static int pmu_enable/Disable(const struct device *dev)
{rpmsg_send_event_to_B_Core_regulator(config->id,PMU_REGULATOR_PMU_ENABLE, &config->id, sizeof(config->id));LOG_DBG("Regulator %d enabled", config->id);return 0;
}

说明：

• 发消息到B-core进行各路的开启与关闭

3.2.3：PMU芯片各路电压的设置:

static int pmu_set_voltage(const struct device *dev, int32_t min_uv, int32_t max_uv)
{if (ret  == 0) {linear_range_get_value(config->desc->voltage_ranges, idx, &voltage_uv);voltage_mv = voltage_uv / 1000;rpmsg_send_event_to_B_Core_regulator(config->id, PMU_REGULATOR_SET_VOLTAGE, &voltage_mv, sizeof(voltage_mv));LOG_DBG("Regulator %d voltage set to %d uV", config->id, voltage_uv);} else {LOG_ERR("Failed to get voltage for regulator %d: %d", config->id, ret);}return ret;
}

说明：

• 获取用户输入电压，解析为一个数值接近且可配置的电压
• 发送信息到B_Core设置各路的电压信息

3.2.4：PMU芯片各路电压的获取:

static int pmu_get_voltage(const struct device *dev, int32_t *volt_uv)
{rpmsg_send_event_to_B_Core_regulator(config->id,PMU_REGULATOR_GET_VOLTAGE, NULL, 0);while (!data->voltage_get_flag) {k_sleep(K_MSEC(10));LOG_INF("Regulator %d get voltage wait", config->id);}data->voltage_get_flag = false;*volt_uv = data->current_uv;LOG_DBG("Regulator %d voltage is %d uV", config->id, data->current_uv);return 0;
}

说明：

• 直接发送请求信息到B-Core
• 在回调函数进行解析并设置Flag

3.3:charger

3.3.1：配置电池各参数

struct Main-core_charger_data {/** CHARGER_PROP_CONSTANT_CHARGE_CURRENT_UA - 恒流充电电流（微安） */uint32_t const_charge_current_ua;/** CHARGER_PROP_PRECHARGE_CURRENT_UA - 预充电电流（微安） */uint32_t precharge_current_ua;/** CHARGER_PROP_CHARGE_TERM_CURRENT_UA - 终止充电电流（微安） */uint32_t charge_term_current_ua;/** CHARGER_PROP_CONSTANT_CHARGE_VOLTAGE_UV - 恒压充电电压（微伏） */uint32_t const_charge_voltage_uv;/** CHARGER_PROP_LOW_VOLTAGE_UV - 低电压（微伏） */uint32_t low_voltage_uv;/** CHARGER_PROP_STATUS - 充电状态 */
};

说明：

• 从设备树中获取电池充放电管理参数
• 对充电时进行算法控制，涓流、恒压等

3.3.2：获取当前充放电管理参数

static int pmu_charger_get_prop(const struct device *dev, charger_prop_t prop,union charger_propval *val)
{switch(prop) {case CHARGER_PROP_ONLINE:break;case CHARGER_PROP_PRESENT:break;......break;default:return -ENOTSUP;}return 0;
}

说明

• 向用户提供API获取已经配置的各项参数

3.3.3：初始化与通讯回调函数

static int pmu_charger_init(const struct device *dev)
{k_work_init(&data->work, harger_work_handler);data->charger_status_notifier = charger_status_notifier;rpmsg_lite_mgr_create_ept(RPMSG_LITE_MGR_EPT_ADDR_Main_Core_CHARGER, Main_Core_thread_ipc_charger_cb, (void *)dev);return 0;
}

说明;

• 初始化并创建通讯节点
• 等待B-core发送接受参数命令

static int c500_thread_ipc_charger_cb(void *payload, uint32_t payload_len, uint32_t src, void *priv)
{switch (msg->cmd) {case PMU_CHARGE_INIT_INFO_GET:rpmsg_send_event_to_c400_charger(PMU_CHARGE_INIT_INFO_GET_ACK, (uint8_t *)&data->const_charge_current_ua, 20);break;case PMU_CHARGE_VBUS_STATUS:if (msg->payload[0] == CHARGER_STATUS_CHARGING) {LOG_INF("vbus in")} else {LOG_INF("vbus out")}break;rpmsg_send_event_to_c400_charger(PMU_CHARGE_INIT_STATUS_ACK, NULL, 0);break;default:break;}return 0;
}

说明：

• 回调函数中根据B-Core发送的命令进行操作
• 传输电池充放电管理信息
• 接受VBUS状态与上报到INPUT子系统

3.4:fuel_gague驱动

3.4.1:获取当前电池电量状态与电压

static int sl5803_get_prop（）
{switch(prop){case FUEL_GAUGE_ABSOLUTE_STATE_OF_CHARGE:val->absolute_state_of_charge = data->battery_precent;break;case FUEL_GAUGE_VOLTAGE:pmu_send_event_to_B-Core_battery(PMU_BATTERY_VOLTAGE_GET, NULL, 0);k_sem_take(&data->fuel_gauge_sem, K_FOREVER);val->voltage = data->battery_voltage;break;default:break;}return 0;
}

• 提供用户API获取当前电池电量或电压

3.4.2：回调函数

static int Main_Core_thread_ipc_battery_cb(void *payload, uint32_t payload_len, uint32_t src, void *priv)
{switch (msg->cmd) {case PMU_BATTERY_PERCENT_SET:k_work_submit(&data->work);}} else {data->battery_precent = 100;LOG_ERR("battery payload error: %d", msg->payload[0]);}break;case PMU_BATTERY_PERCENT_GET:pmu_send_event_to_B_core_battery(PMU_BATTERY_PERCENT_GET_ACK, (uint8_t *)&data->battery_precent, sizeof(data->battery_precent));break;case PMU_BATTERY_VOLTAGE_GET_ACK:data->battery_voltage = *(uint16_t *)&msg->payload[0] * 1000;k_sem_give(&data->fuel_gauge_sem);break;default:break;}return 0;
}

• 更新电量并上报INPUT系统

总结

本文详细介绍了在Zephyr实时操作系统下PMU驱动的完整架构与实现方案。通过五大部分驱动的协同工作，实现了高效的电源管理功能。
该设计方案具有良好的可扩展性和可靠性，能够满足各种低功耗应用场景的需求，为产品提供稳定高效的电源管理解决方案。