智能手机和单键开关机和复位

智能手机和平板电脑中的单键开/关机和复位的智能   随着智能手机和平板电脑内置电池的设计越来越多，如何在系统软件卡机的时候进行系统的 硬件复位，成为一个越来越突显的设计问题。        意法半导体公司 STM65xx智能复位芯片系列使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，不仅能够实现双键长按复位，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。    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。    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。    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。      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。    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。        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。    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  的 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。      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。      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。