一顆PLD取代至多40個(gè)IC的分立電路設(shè)計(jì)，TI用可編程邏輯器件助力更緊湊的工業(yè)汽車應(yīng)用開發(fā)

在現(xiàn)代電子行業(yè)，隨著市場(chǎng)對(duì)更小尺寸和更高計(jì)算能力的產(chǎn)品需求不斷增加，工程師們正面臨前所未有的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。無(wú)論是消費(fèi)類電子還是汽車電子，產(chǎn)品體積縮小和功能增強(qiáng)的趨勢(shì)已成為設(shè)計(jì)人員無(wú)法回避的現(xiàn)實(shí)。

首先，下一代產(chǎn)品需要在更小的PCB面積中集成更多的功能和IC，這對(duì)空間的緊湊利用提出了極高要求。此外，在軟件編程方面，為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化，我們通常依賴于高復(fù)雜度的可編程邏輯器件，如FPGA和CPLD。這些器件雖然支持?jǐn)?shù)千個(gè)邏輯單元，但其高集成度、較大尺寸和較高功耗也為設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)，同時(shí)還需要昂貴的EDN工具和復(fù)雜的硬件描述語(yǔ)言（如VHDL或Verilog）進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。最后，市場(chǎng)上許多簡(jiǎn)單的可編程邏輯器件缺乏汽車行業(yè)應(yīng)用所需的封裝、規(guī)格和認(rèn)證，限制了它們?cè)谄嚭凸I(yè)領(lǐng)域的適用性。

為了幫助工程師應(yīng)對(duì)這些設(shè)計(jì)瓶頸的，TI推出了全新的可編程邏輯器件（PLD），從集成度優(yōu)化到新型編程工具的使用，幫助工程師有效解決這些挑戰(zhàn)，推動(dòng)新一代電子產(chǎn)品的發(fā)展。

在近日召開的TPLD系列新品發(fā)布會(huì)上，德州儀器邏輯產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Luke Trowbridge、德州儀器邏輯產(chǎn)品系統(tǒng)經(jīng)理Jose Gonzalez、德州儀器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師Captain Luo進(jìn)行了精彩的分享。

從傳統(tǒng)概念出發(fā)的現(xiàn)代技術(shù)創(chuàng)新——以一抵四十的TI PLD

通常意義上來說，PLD（可編程邏輯器件）是一個(gè)非常大的品類名稱，CPLD、FPGA、包括一些很古老的可編程邏輯陣列 （PLA）、通用陣列邏輯器件 （GAL）等似乎都可以在這一品類囊括其中。

而此次TI推出的PLD，以TPLD作為產(chǎn)品系列命名前綴，特指的是集成多了達(dá)40個(gè)數(shù)字和模擬邏輯元件、結(jié)合了TI最先進(jìn)的封裝技術(shù)、能夠通過TI的InterConnect Studio進(jìn)行無(wú)代碼圖形化編程的可編程邏輯IC。

需要明確的是，該品類并非為FPGA和CPLD競(jìng)爭(zhēng)的低端競(jìng)品，而是旨在替代當(dāng)前需要多個(gè)邏輯IC才能夠完成的電路設(shè)計(jì)。根據(jù)TI的市場(chǎng)觀察，TI的PLD能夠幫助現(xiàn)有的相當(dāng)一部分工業(yè)、汽車應(yīng)用的客戶，簡(jiǎn)化他們的邏輯電路設(shè)計(jì)。

隨著市場(chǎng)對(duì)更小尺寸和更強(qiáng)計(jì)算能力的產(chǎn)品需求不斷增長(zhǎng)，工程師們面臨三大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。首先，下一代產(chǎn)品需要在更小的布板空間中集成更多的功能和IC，這對(duì)空間利用提出了更高要求。其次，在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化的過程中，通常依賴于復(fù)雜的可編程器件，如FPGA或CPLD，盡管這些器件支持?jǐn)?shù)千個(gè)邏輯單元，但其高集成度和復(fù)雜性往往顯著增加了封裝尺寸、成本和功耗，同時(shí)需要昂貴的EDN工具和硬件描述語(yǔ)言（如VHDL或Verilog）進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。最后，目前市場(chǎng)上較為簡(jiǎn)單的可編程邏輯器件缺乏汽車工業(yè)應(yīng)用所需的封裝、規(guī)格和認(rèn)證，限制了其在消費(fèi)類電子以外領(lǐng)域的適用性。

“針對(duì)相對(duì)簡(jiǎn)單但又需要傳統(tǒng)比較多的邏輯分立器件我們采用一顆TPLD去覆蓋，并且不需要復(fù)雜的邏輯編程，這是我們投資TPLD的初衷?！盠uke表示。

據(jù)悉，TI PLD具備幾大產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)——高度集成、封裝創(chuàng)新、友好的開發(fā)軟、車規(guī)級(jí)認(rèn)證、極低的功耗表現(xiàn)。

【高集成度和超小型封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)面積和BOM雙效增益】

TI的PLD芯片通過將數(shù)十個(gè)順序邏輯和模擬功能集成到單個(gè)封裝中（包括超小型引線式封裝），能夠有效減小整個(gè)方案的尺寸。對(duì)比傳統(tǒng)CANbus仲裁分立方案，一顆TPLD（TPLD1201）就可以替代整個(gè)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)94%的面積縮減和80%的BOM縮減。

Luke表示，“取決于不同的應(yīng)用設(shè)計(jì)，總體來說，TI能夠?qū)⒍噙_(dá)40個(gè)邏輯元件集成到一個(gè)IC里面可以更好幫助系統(tǒng)簡(jiǎn)化并降低整體的體積和成本?！?

而Jose進(jìn)一步補(bǔ)充，“將多達(dá)40個(gè)邏輯的元件集成到一個(gè)IC里，可以大大簡(jiǎn)化采購(gòu)和認(rèn)證的過程。對(duì)于采用了TPLD的研發(fā)來說，只需要一款單獨(dú)的IC，對(duì)于公司的采購(gòu)團(tuán)隊(duì)而言只需要采購(gòu)一種類型的邏輯器件，所以這無(wú)形中也帶來了開發(fā)資源、驗(yàn)證資源和采購(gòu)資源的成本下降?！?

【低功耗延長(zhǎng)電池壽命】

與市場(chǎng)上同類器件相比，TI的可配置邏輯器件具有極低的功耗，能耗可降低50%，且靜態(tài)電流小于1微安。Jose Gonzalez指出，功耗的降低是通過不同工作模式切換實(shí)現(xiàn)的。在非工作狀態(tài)或睡眠模式下，PLD內(nèi)部會(huì)斷開主要的邏輯器件。因此有助于電池供電終端設(shè)備顯著延長(zhǎng)電池壽命。

【圖形化編程——InterConnect Studio實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、仿真、采購(gòu)全流程】

在使用傳統(tǒng)CPLD或FPGA進(jìn)行邏輯元件集成設(shè)計(jì)時(shí)，由于VHDL和Verilog硬件描述語(yǔ)言的學(xué)習(xí)門檻較高，工程師會(huì)面臨復(fù)雜的編程挑戰(zhàn)。而InterConnect Studio就特別考慮了這一需求，借助簡(jiǎn)單易用的GUI圖形界面，工程師可以在沒有任何編碼經(jīng)驗(yàn)的情況下快速配置TI的PLD器件，在短短幾分鐘時(shí)間內(nèi)完成開發(fā)和仿真，從而推進(jìn)到原型設(shè)計(jì)的階段。

除了設(shè)計(jì)和仿真外，InterConnect Studio還集成了采購(gòu)流程，工程師可以直接通過該平臺(tái)完成PLD器件下單。

【可靠設(shè)計(jì)支持車規(guī)場(chǎng)景】

由于汽車和工業(yè)應(yīng)用環(huán)境通常較為惡劣，需要滿足高溫等嚴(yán)苛條件。而TI的PLD支持-40℃至125℃的超寬溫度范圍，能夠更好地適應(yīng)這些應(yīng)用場(chǎng)景。此外，TPLD還達(dá)到了汽車領(lǐng)域還要求通過的AEC-Q100認(rèn)證，支持一次性可編程（OTP），為工業(yè)和汽車應(yīng)用提供了更加安全、可靠的設(shè)計(jì)方案。

一顆TPLD替代傳統(tǒng)分立邏輯器件方案，迎合小型化和集成化未來發(fā)展趨勢(shì)

在各種工業(yè)、汽車等多種應(yīng)用場(chǎng)景中的特定設(shè)計(jì)中，例如電源時(shí)序控制、電池過流過壓檢測(cè)、CANbus仲裁分立等，仍有很多客戶采用分立方案搭建邏輯電路設(shè)計(jì)，而現(xiàn)在一顆TPLD就可以靈活滿足這些客戶的需求。而對(duì)于一些選擇了專用ASIC的方案，Jose Gonzalez稱TPLD的靈活性會(huì)更好——例如對(duì)比電源時(shí)序?qū)Ｓ肁SIC，“dedicate的這種時(shí)序IC來說，它的應(yīng)用靈活性就會(huì)受制。我們集成了邏輯門在里面，還有比較器，很容易地結(jié)合外部的一些條件比如溫度、電壓電流這些條件去決定我的時(shí)序是power on還是power off，因此靈活性更好?！?

在發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，Jose為我們?cè)敿?xì)展示了如何通過一顆TPLD來替代CANbus仲裁分立方案。首先在InterConnect Studio中，在左側(cè)的菜單欄中點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)元件旁邊的加號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)不同元件添加。然后通過簡(jiǎn)單的拖放操作，即可在元件之間建立連接，并在主窗口下方的菜單中對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步微調(diào)。

如上圖所示，電路圖左側(cè)和右側(cè)分別有兩個(gè)輸入和輸出（TX1/RX1和TX2/RX2），這是典型的CAN總線的發(fā)送和接收端口。中間部分的電路圖使用了多個(gè)邏輯門（例如與門、或門）和反相器等，分別標(biāo)注為SN74LVC系列芯片。其中包括了分立元件如電阻、電容（R1、R2、C1、C2）來實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理功能。而整個(gè)的電路都可以在InterConnect Studio中通過對(duì)TPLD1201的點(diǎn)擊、拖拽，在幾分鐘內(nèi)完成快速的電路設(shè)計(jì)編程。

在完成設(shè)計(jì)電路并運(yùn)行仿真后，客戶只需按下CONFIGURE TPLD按鈕，就可以通過TPLD編程器和評(píng)估模塊輕松地臨時(shí)配置器件。如果客戶完成了最終設(shè)計(jì)，想要想要對(duì)器件進(jìn)行永久編程，可通過勾選菜單中復(fù)選框來實(shí)現(xiàn)。

對(duì)比分立式元件的CANbus仲裁分立方案：總計(jì)需要5個(gè)元件，占用44.14平方毫米的面積。而一顆TI PLD的方案：僅需1個(gè)元件，占用2.56平方毫米的面積。最終實(shí)現(xiàn)了80%元件數(shù)減少、94%面積減少、50%無(wú)源器件減少。

對(duì)于需要程序預(yù)燒寫的量產(chǎn)出貨客戶，可以將設(shè)計(jì)固件給到TI，由TI完成批量固件的燒寫。而這種TPLD器件的型號(hào)會(huì)在后綴上加上客戶特有代碼來進(jìn)行區(qū)分，從而能夠保證客戶的唯一性。

結(jié)語(yǔ)

邏輯器件在電子電路中起到了核心連接和控制作用，因此被稱為每個(gè)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的“粘合劑”。而由于邏輯器件相對(duì)于系統(tǒng)中的其他元件具有高度的標(biāo)準(zhǔn)化和通用性，因此也常常是作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)選項(xiàng)中的最后部分，在系統(tǒng)的關(guān)鍵功能、架構(gòu)和性能需求確定之后再進(jìn)行選擇。

但這不意味著它們能夠被忽視或隨意挑選?；谡麄€(gè)設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)正在趨向于追求更極致的高功率密度、高算力密度的同時(shí)，在考慮選項(xiàng)時(shí)，優(yōu)先選擇TI的PLD將會(huì)為客戶的電路板上更多功能留出足夠空間。

Luke表示，TI在封裝上的投資和創(chuàng)新，帶來了最小的引線封裝DYY Package，這使得TPLD尺寸更加緊湊；用一顆邏輯器件替代以往需要比較復(fù)雜的幾顆到十幾顆器件的設(shè)計(jì)，TPLD也就達(dá)成了更高的集成度?！盎诂F(xiàn)在我們對(duì)于產(chǎn)品的本身系統(tǒng)需要去簡(jiǎn)化、需要去小型化的大背景下，答案是肯定的，PLD小型化和集成化是一個(gè)未來的發(fā)展趨勢(shì)?！?