1　引言
隨著大量新興數據業務的應用，智能手機和平板電腦功耗水平大幅度提高，導致待機時間也大幅度縮短。為了能否延伸待機時間，內置電池的設計變得越來越普及。這是因為鋰電池的一半體積是由其結構件所占據的，如果電池內置于智能手機和平板電腦機身中，就可以節省鋰電池的結構件體積，從而在相同乃至更大的體積上大大提高電池的容量。如此一來，電池的容量確實得到了大幅度增加，伴隨著也產生了一個新的問題——如果智能手機和平板電腦在應用過程中發生軟件系統卡機的情況，如何進行系統的復位操作？

與產品的主要功能相比，解除卡機狀況的機械復位裝置通常比較落后。為防止設備意外復位，大多數手動復位鍵（如果有的話）都掩藏在機身內。因為復位鍵很難觸及，所以拆卸電池成為非常普遍的解決辦法。但是，這種做法不僅用戶感受度較差，并且增加了成本，還可能會損壞系統，例如，使重要的數據丟失。

那么，在內置電池設計的智能手機和平板電腦中，如何進行系統的硬件復位呢？本文介紹了一種硬件智能復位的解決方案，不僅可以在智能手機和平板電腦設計中實現雙鍵長按的智能復位，還可以實現在智能手機和平板電腦中流行的單鍵開／關機和復位的智能方案。

2   智能手機和平板電腦應用平臺的開／關機和復位的機制和隱患
在當今智能手機和平板電腦的主流平臺中，通常都存在應用處理器（Application Process / Baseband, 下簡稱AP）加電源管理芯片(Power Management Unit, 下簡稱PMU)的架構，如圖1所示。


圖1. 智能手機和平板電腦中AP + PMU的硬件架構
在這種硬件架構中，在PMU上設置有一個電源開關管腳與一個機身上的一個機械開關相連（下簡稱Power_Key）。
當手機處于關機狀態的時候，按下Power_Key將PMU的電源開關管腳拉到地，將啟動PMU上電過程：PMU啟動LDO為AP供電，同時發出硬件復位信號給AP，當AP軟件系統啟動完畢后，回送一個PS_HOLD信號將PMU的PS_HOLD管腳拉高，并且在工作狀態一直維持為高電平；如果在一定的時間內（Tpshold時間），AP沒有能將PS_HOLD管腳拉高，則表明AP啟動失敗，PMU自動進行下電過程。通常要求Power_Key和PS_HOLD信號之間存在一定的關系，即Power_Key信號必須保持為低電平直至PS_HOLD信號被AP驅動為高，如圖2所示。這是因為，如果發生了AP上電初始化失敗而沒能在設置的時間Tpshold內將PS_HOLD信號拉高，Power_Key仍然維持為低能夠確保PMU將被觸發再一次上電過程，從而確保上電成功。



圖2. PMU的Power_Key和PS_HOLD信號的時序關系
當手機處于開機狀態的時候，按下Power_Key將PMU的電源開關管腳拉到地，PMU將發送中斷給AP，AP將根據中斷請求進行響應，將PS_HOLD管腳拉到地，PMU自動進行下電過程。
在這個機制中，存在一個顯見的隱患：當AP的系統軟件卡機的時候，它將無法響應PMU發送的下電中斷請求，也就無法進行關機或復位操作了。可能的解決方法如下：在PMU的PS_HOLD管腳輸入端設置一個按鍵開關S1，當S1被按下，PS_HOLD信號被拉低到地，觸發PMU的下電過程，如圖3所示。


圖3. AP + PMU的硬件架構中的手工復位方案
這個方案固然可行，但是需要將S1隱藏在不易觸發的小孔中，平時用戶是不能夠觸碰這個復位開關S1的。除了用戶感受不好和增加了設計成本與風險外，這個方案還存在一個問題——當下流行的智能手機或平板電腦的設計只有一個機械按鍵，也就是連接到PMU電源開關管腳的開關Power_Key。在這種設計中，Power_Key和S1是不能夠設置在一起的。原因如圖4所示。



圖4. AP + PMU的硬件架構中開／關機按鍵和復位按鍵不能合二為一的原理圖
當系統處于關機狀態時，如果Power_Key被短按，PMU將觸發上電過程，當AP上電啟動完畢后將PS_HOLD信號拉高——此時不管按鍵是按下還是松開的狀態，PMU的PS_HOLD都可以在Tpshold時間內經過R2/C1/R1被及時拉高，系統上電成功不存在問題。當系統處于開機工作狀態時，如果Power_Key被按下，由于PS_HOLD信號立即被拉低，PMU將進入下電過程。按鍵釋放的時刻，系統可能處于下電過程或者上電過程的某個階段，最終導致有可能關機和有可能系統復位的不可以預測的結果，這是產品設計所不可以接受的，如圖5所示。更重要的是，采用這樣的設計，系統也就根本無法實現軟件關機功能了。所以，在這種電路設計中，Power_Key和S1是不能夠設置在一起的。



圖5. AP + PMU的硬件架構中開／關機按鍵和復位按鍵不能合二為一的時序
為了校正PMU自身沒有專門的硬件復位輸入管腳，而需要借助PS_HOLD信號拉低進行復位的這個缺陷，新的PMU中開始引入了專門的RESET_IN的復位管腳，允許外部電路通過這個管腳硬件復位PMU。但是，這里仍然存在的問題是——PMU的規格要求開／關機按鍵和復位按鍵必須在物理上分開，不能設置在同一個按鍵上，需要將復位按鍵隱藏在機身上的檢修孔中，無法實現單鍵開／關機和復位的方案。
那么，有沒有一個硬件方案能夠使開／關機按鍵和復位按鍵合二為一，實現智能手機和平板電腦設計中的單鍵開／關機和復位的智能方案呢？

3   智能手機和平板電腦設計中的單鍵開／關機和復位智能方案
意法半導體STM65xx系列智能復位芯片系列有兩個或者一個輸入，可以連接設備上的兩個或者一個功能鍵。如果這兩個鍵被同時或單個鍵被按住一定時間（時間長短可以設置或根據型號進行選擇），復位芯片將向主處理器發送一個復位信號。復位芯片的兩個或者一個輸入和延時設定功能，使按鍵的“普通功能”和按鍵的“系統復位功能”合二為一，同時能有效地防止設備被意外復位。
在智能手機和平板電腦設計中，當下流行單鍵開／關機和復位的設計，即整個機身上只有一個機械按鍵，該按鍵盤承載了開／關機和卡機復位的功能。STM65xx智能復位芯片系列中的STM6513能夠非常圓滿地實現這個功能。設計者只要將STM6513的SR0和SR1輸入管腳可以連接在Power_Key上（需要雙鍵長按復位的設計，則只需要將/SR0和/SR1分別連接到不同的功能按鍵上即可），/RST2連接到AP的復位輸入管腳，而RST1連接到PMU的PS_HOLD管腳上，這樣就可以輕松地實現智能手機和平板電腦設計中的單鍵開／關機和復位的智能方案，如圖6所示的方案1。


圖6. 采用STM6513的單鍵開／關機和復位的智能方案1
當系統處于關機狀態時，如果Power_Key被短按，PMU將觸發上電過程，當AP上電啟動完畢后將PS_HOLD信號拉高，系統上電成功不存在問題。由于設計中Power_Key被短按，不會觸發STM6513的延時復位功能（可選，例如8秒鐘）。
當系統處于開機工作狀態時，如果Power_Key被按下，超過一個的時間（可選，例如8秒鐘），/RST2輸出低電平有效的復位信號給AP，同時RST1管腳輸出高電平信號。由于PMU 的PS_HOLD輸入管腳上兩個二極管組成的線與功能電路的存在，在AP進行復位的時候，STM6513輸出的RST1將保持為高（RST1的trec，可以根據需要通過STM6513的外接電容管腳進行設置），直到AP將PS_HOLD管腳驅動為高。這樣一來，在進行系統復位的時候，只是AP被STM6513進行了復位，而PMU實際沒有下電過程，可以確保系統復位成功。另外，由于系統復位過程中PMU沒有下電，緩存數據不丟失，還可以實現死機時用戶應用數據保存的功能。
有些設計者可能傾向于在系統重啟過程中，PMU也能夠進行重啟。對于這類設計者，也可以只使用STM6513的/RST2管腳連接到PMU的PS_HOLD管腳上（對于存在RESET_IN的PMU，可以連接在RESET_IN管腳上），如圖7所示的方案2。當系統處于開機工作狀態時，如果Power_Key被按下，超過一個的時間（可選，例如8秒鐘），/RST2輸出低電平有效的復位信號將PMU的PS_HOLD信號拉低。由于/RST2的trec為固定的（例如210ms），也就是說，/RST2在復位信號維持210ms低電平之后將后變為輸出高阻狀態，從而釋放了PMU的PS_HOLD信號，PMU的PS_HOLD將完全由AP的PS_HOLD輸出管腳的狀態控制。由于此時Power_Key仍然為低電平，PMU將被觸發再一次的上電過程，最終上電成功。


圖7. 采用STM6513的單鍵開／關機和復位的智能方案2
對于采用方案2的設計者，一個成本更優的方案是采用意法半導體公司新推出的STM6519芯片，該芯片是單鍵延時復位芯片，復位延遲時間通過型號選擇，只有一個/RST復位輸出信號，采用UDFN6或UDFN4 1.0x1.45mm封裝，如圖8所示。


圖8. 采用STM6519的單鍵開／關機和復位的智能方案
采用意法半導體STM6513或STM6519智能復位產品，都可以實現以下單鍵開／關機和系統復位過程：
在關機狀態，短按鍵，上電開機；
在開機工作狀態，在AP系統軟件沒有卡機的前提下，短按鍵，AP對應在顯示屏上顯示“返回？關機？”供用戶選擇——如果確認返回，則返回；如果確認關機，則AP將PS_HOLD拉低，PMU進入下電過程，最后關機。在AP系統軟件卡機的情況下，長按鍵（可選，例如8秒鐘），系統進行硬件復位，重啟開機。

4　小結
本文首先介紹了智能手機和平板電腦平臺上AP+PMU硬件架構的復位機制和存在的隱患，然后闡述了采用意法半導體STM6513和STM6519智能復位芯片，實現雙鍵長按復位，特別是在智能手機和平板電腦中流行的單鍵開／關機和復位的智能方案。
意法半導體公司STM65xx智能復位芯片系列使產品設計人員能夠去除傳統復位鍵以及機身上隱藏復位鍵的檢修孔，不僅節省了成本，降低了設計風險，并且提升了用戶使用滿意度。