高集成度低成本智能功率芯片方案解析

引言

近幾年來(lái)，隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字化產(chǎn)品的普及，嵌入式系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到汽車(chē)工業(yè)、網(wǎng)絡(luò)、手持通信設(shè)備、國(guó)防軍事、消費(fèi)電子和自動(dòng)化控制等各個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的功耗問(wèn)題也正受到普遍的關(guān)注。嵌入式系統(tǒng)一般是由電池來(lái)供電的，系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計(jì)，不僅能夠延長(zhǎng)電池的壽命，而且可以降低系統(tǒng)的熱耗，對(duì)提高可靠性與穩(wěn)定性有著重要意義。在這種應(yīng)用背景下，Infineon、Freescale、Atmel、TI等知名單片機(jī)生產(chǎn)廠家紛紛推出功能強(qiáng)大的低功耗單片機(jī)。

1 單片機(jī)功耗的來(lái)源

單片機(jī)是一種集成度較高的芯片。通常，集成電路的功耗分為靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗2部分。靜態(tài)是指“0”和“1”的恒定狀態(tài)，當(dāng)電路沒(méi)有狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的功耗為靜態(tài)功耗;動(dòng)態(tài)是指“0”和“1“的跳變狀態(tài)，當(dāng)電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的功耗為動(dòng)態(tài)功耗。

目前絕大多數(shù)的單片機(jī)都采用CMOS工藝。CMOS電路為電壓控制型，一般情況下靜態(tài)功耗極小。它的動(dòng)態(tài)功耗由瞬時(shí)導(dǎo)通功耗和電容充放電功耗2部分組成。在單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，開(kāi)關(guān)電路不斷地由“1”變“0”，由“0”變“1”，內(nèi)部電容不停地充放電，要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電路快速關(guān)斷和電容的快速充放電，需要比較大的動(dòng)態(tài)電流[3]。因此CMOS的動(dòng)態(tài)功耗要遠(yuǎn)大于靜態(tài)功耗，是單片機(jī)功耗的主要來(lái)源。動(dòng)態(tài)功耗主要受工作頻率和工作電壓的影響。

通過(guò)對(duì)單片機(jī)功耗來(lái)源的分析，可得出結(jié)論：要降低單片機(jī)系統(tǒng)的功耗，可以采取降低工作頻率、降低工作電壓和盡可能使電路處于靜態(tài)的方法。事實(shí)上，現(xiàn)有的低功耗單片機(jī)也都提供了靈活的時(shí)鐘方案、電源管理方案，以及低功耗工作模式，在硬件上為降低工作頻率、降低工作電壓和使電路處于靜態(tài)工作狀態(tài)提供了可能。

2 TLE7810簡(jiǎn)介

TLE7810是Infineon公司推出的一款高集成度低成本智能功率芯片，主要應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)。其功能模塊圖如圖1所示。它集成了1個(gè)支持片上調(diào)試功能并且與標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)兼容的8位微控制器XC866，以及1個(gè)SBC(System Basis Chip，系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片)。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以滿足汽車(chē)工業(yè)盡乎苛刻的應(yīng)用條件。同其他廠家的微控制器類(lèi)似，Infineon XC866也提供了靈活的時(shí)鐘方案、電源管理方案和低功耗工作模式，本文對(duì)這些功能就不再多做介紹，而是著重介紹TLE7810特有的SBC的低功耗設(shè)計(jì)方案。

圖1 TLE7810功能模塊圖

從圖1中可以看出，SBC配備1個(gè)LIN收發(fā)器、1個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器、2個(gè)用于驅(qū)動(dòng)繼電器的低邊開(kāi)關(guān)、1個(gè)用于驅(qū)動(dòng)LED的高邊開(kāi)關(guān)、1個(gè)霍爾傳感器電源、5個(gè)喚醒輸入，以及1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的16位SPI(Serial Peripheral Interface，串行外設(shè)接口)接口等。通過(guò)SPI接口，XC866可以發(fā)送1個(gè)16位的命令來(lái)控制SBC的運(yùn)行， SBC同時(shí)向XC866回復(fù)1個(gè)16位的數(shù)據(jù)，指示SBC當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。

3 SBC的低功耗設(shè)計(jì)方案

3.1 SBC集成的外設(shè)

SBC不僅將多個(gè)外設(shè)集成到1個(gè)芯片內(nèi)部，而且可以通過(guò)SPI接口控制這些外設(shè)的打開(kāi)與關(guān)閉，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，可以靈活地控制這些外設(shè)，以達(dá)到降低功耗的目的。

① LIN收發(fā)器?？梢酝ㄟ^(guò)SPI命令將SBC的工作模式設(shè)置成“LIN Sleep”模式。在這個(gè)工作模式下，LIN收發(fā)器的內(nèi)部上拉電阻被關(guān)掉，以此來(lái)禁用LIN收發(fā)器，這樣就能夠減小一部分電流消耗。禁用的LIN收發(fā)器可以隨時(shí)通過(guò)主節(jié)點(diǎn)或其他從節(jié)點(diǎn)的LIN消息來(lái)激活。

② 低壓差電壓調(diào)節(jié)器?？梢酝ㄟ^(guò)SPI命令將SBC的工作模式設(shè)置成“Sleep”模式。在這個(gè)工作模式下，該電壓調(diào)節(jié)器被關(guān)閉，以停止對(duì)微控制器供電，從而使系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，將功耗降到最小。

③ 高邊開(kāi)關(guān)。高邊開(kāi)關(guān)可以直接驅(qū)動(dòng)LED。在不需要使用LED的場(chǎng)合，可以直接通過(guò)SPI命令將該開(kāi)關(guān)關(guān)閉。

④ 霍爾傳感器電源。該電源可以直接為霍爾傳感器供電，驅(qū)動(dòng)霍爾傳感器正常工作，也可以為其他一些設(shè)備，比如運(yùn)算放大器供電。在不需要使用霍爾傳感器的場(chǎng)合，可以直接通過(guò)SPI命令將該電源關(guān)閉。

3.2 SBC的省電模式與喚醒測(cè)試

SBC可以在多個(gè)工作模式下工作，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，可以靈活地進(jìn)行工作狀態(tài)的切換。SBC提供了2種省電模式，“Sleep”模式和“Stop”模式。工作在這2種模式下，可以極大地降低系統(tǒng)的功耗。

3.2.1 SBC Sleep Mode

可以通過(guò)直接修改SPI命令來(lái)進(jìn)入該工作模式。在這個(gè)工作模式下，LIN收發(fā)器以及所有的內(nèi)部開(kāi)關(guān)都被關(guān)閉，同時(shí)內(nèi)部的電壓調(diào)節(jié)器也被關(guān)閉，以停止對(duì)微控制供電。通過(guò)這種方式可以將系統(tǒng)的功耗降到最小。可以通過(guò)5個(gè)喚醒輸入引腳上的電平跳變或者LIN消息來(lái)退出該模式，將系統(tǒng)喚醒。被喚醒后，內(nèi)部的電壓調(diào)節(jié)器將自動(dòng)激活，微控制器將產(chǎn)生1個(gè)復(fù)位信號(hào)，將系統(tǒng)復(fù)位。圖2為“Sleep”模式的測(cè)試波形。其中，曲線1為喚醒輸入引腳MON4的波形，曲線2為復(fù)位引腳RESET的波形。在“Sleep”模式下，MON4引腳的輸入為12 V高電平，RESET引腳輸出0 V低電平。當(dāng)MON4引腳的電平發(fā)生跳變，由高電平變?yōu)榈碗娖胶?，RESET引腳產(chǎn)生1個(gè)5 V高電平的復(fù)位信號(hào)，將系統(tǒng)喚醒并復(fù)位。從圖中可以看出這段喚醒時(shí)間持續(xù)約9.5 ms。根據(jù)進(jìn)一步的測(cè)量，在該模式下，系統(tǒng)的靜態(tài)電流約為9 mA。

圖2 SBC Sleep Mode 測(cè)試波形

3.2.2 SBC Stop Mode

需要先將XC866的工作模式設(shè)置成省電模式，再修改SPI命令才能進(jìn)入該工作模式。在這個(gè)工作模式下，LIN收發(fā)器以及所有的內(nèi)部開(kāi)關(guān)也都被關(guān)閉，但是并不關(guān)閉電壓調(diào)節(jié)器，而是用微弱的靜態(tài)電流對(duì)微控制器供電，微控制器同時(shí)停止執(zhí)行指令。可以通過(guò)5個(gè)喚醒輸入引腳上的電平跳變或者LIN消息來(lái)退出該模式。圖3為“Stop”模式的測(cè)試波形。其中，曲線1為喚醒輸入引腳MON4的波形，曲線2為輸出引腳P0.5的波形。在“Stop”模式下，MON4引腳的輸入為12 V高電平，P0.5引腳輸出0 V低電平，當(dāng)MON4引腳的電平發(fā)生跳變，由高電平變?yōu)榈碗娖胶?，將系統(tǒng)喚醒，然后馬上讓P0.5引腳輸出5 V高電平。從圖中可以看出這段喚醒時(shí)間持續(xù)約265 μs。根據(jù)進(jìn)一步的測(cè)量，在該模式下，系統(tǒng)的靜態(tài)電流約為30 mA。與“Sleep”模式相比較，該模式不僅能夠極大地降低系統(tǒng)功耗，同時(shí)因?yàn)闆](méi)有關(guān)閉微控制器，能夠更快地將系統(tǒng)喚醒，而且喚醒后不產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，直接從停止的指令位置繼續(xù)執(zhí)行。

圖3 SBC Stop Mode 測(cè)試波形

4 TLE7810低功耗方案的應(yīng)用

TLE7810的一個(gè)具體應(yīng)用是電動(dòng)車(chē)窗控制器?；赥LE7810的電動(dòng)車(chē)窗控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。其中，高邊開(kāi)關(guān)(MON5引腳)為按鍵背光燈供電，霍爾傳感器電源(Supply引腳)同時(shí)為霍爾傳感器和運(yùn)算放大器供電。

圖4 電動(dòng)車(chē)窗控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖

MON5引腳與Supply引腳的輸出電平由SPI命令直接控制。當(dāng)控制車(chē)窗升降的4個(gè)按鍵(MON1~MON4)未按下時(shí)，通過(guò)SPI命令控制MON5引腳輸出低電平，按鍵背光燈滅;當(dāng)有按鍵按下時(shí)，通過(guò)SPI命令控制MON5引腳輸出高電平，按鍵背光燈亮。當(dāng)電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，通過(guò)SPI命令控制Supply引腳輸出低電平，關(guān)閉對(duì)霍爾傳感器與運(yùn)算放大器的供電。霍爾傳感器是在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向的，運(yùn)算放大器用來(lái)對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行采樣放大，因此在電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)這兩個(gè)外設(shè)都沒(méi)必要工作，關(guān)閉對(duì)它們的供電在一定程度上可以降低功耗。

當(dāng)后門(mén)側(cè)車(chē)窗在沒(méi)有收到任何由后車(chē)門(mén)按鍵發(fā)出的控制命令，也沒(méi)有收到任何由司機(jī)側(cè)車(chē)門(mén)通過(guò)LIN總線發(fā)出的命令時(shí)，可在延時(shí)一段時(shí)間后，直接通過(guò)SPI命令讓系統(tǒng)進(jìn)入“Sleep”模式。車(chē)窗控制器在正常工作模式下，系統(tǒng)電流約150 mA，而在該模式下，TLE7810內(nèi)部的電源模塊停止對(duì)所有負(fù)載供電，系統(tǒng)電流僅為9 mA，將控制器的功耗降到最小。休眠后，若司機(jī)側(cè)或者后門(mén)側(cè)按鍵重新發(fā)出命令，可將喚醒系統(tǒng)，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

5 總結(jié)

本文分析了單片機(jī)功耗的來(lái)源，以Infineon TLE7810單片機(jī)為例，研究了TLE7810特有的SBC的低功耗設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合具體電動(dòng)車(chē)窗控制器的例子，簡(jiǎn)單闡述了TLE7810低功耗設(shè)計(jì)方案的實(shí)際應(yīng)用。在復(fù)雜的實(shí)際應(yīng)用中，還需要綜合考慮系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件，結(jié)合具體的應(yīng)用場(chǎng)合，選擇合適的低功耗設(shè)計(jì)方案，以達(dá)到降低系統(tǒng)功耗的目的。