高集成度低成本智能功率芯片方案解析

引言

近幾年來，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)被廣泛應用到汽車工業(yè)、網(wǎng)絡、手持通信設(shè)備、國防軍事、消費電子和自動化控制等各個領(lǐng)域。同時，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中的功耗問題也正受到普遍的關(guān)注。嵌入式系統(tǒng)一般是由電池來供電的，系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計，不僅能夠延長電池的壽命，而且可以降低系統(tǒng)的熱耗，對提高可靠性與穩(wěn)定性有著重要意義。在這種應用背景下，Infineon、Freescale、Atmel、TI等知名單片機生產(chǎn)廠家紛紛推出功能強大的低功耗單片機。

1 單片機功耗的來源

單片機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)功耗和動態(tài)功耗2部分。靜態(tài)是指“0”和“1”的恒定狀態(tài)，當電路沒有狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的功耗為靜態(tài)功耗;動態(tài)是指“0”和“1“的跳變狀態(tài)，當電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的功耗為動態(tài)功耗。

目前絕大多數(shù)的單片機都采用CMOS工藝。CMOS電路為電壓控制型，一般情況下靜態(tài)功耗極小。它的動態(tài)功耗由瞬時導通功耗和電容充放電功耗2部分組成。在單片機運行時，開關(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，要實現(xiàn)開關(guān)電路快速關(guān)斷和電容的快速充放電，需要比較大的動態(tài)電流[3]。因此CMOS的動態(tài)功耗要遠大于靜態(tài)功耗，是單片機功耗的主要來源。動態(tài)功耗主要受工作頻率和工作電壓的影響。

通過對單片機功耗來源的分析，可得出結(jié)論：要降低單片機系統(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。事實上，現(xiàn)有的低功耗單片機也都提供了靈活的時鐘方案、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，主要應用于汽車工業(yè)。其功能模塊圖如圖1所示。它集成了1個支持片上調(diào)試功能并且與標準8051單片機兼容的8位微控制器XC866，以及1個SBC(System Basis Chip，系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片)。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以滿足汽車工業(yè)盡乎苛刻的應用條件。同其他廠家的微控制器類似，Infineon XC866也提供了靈活的時鐘方案、電源管理方案和低功耗工作模式，本文對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)計方案。

圖1 TLE7810功能模塊圖

從圖1中可以看出，SBC配備1個LIN收發(fā)器、1個低壓差電壓調(diào)節(jié)器、2個用于驅(qū)動繼電器的低邊開關(guān)、1個用于驅(qū)動LED的高邊開關(guān)、1個霍爾傳感器電源、5個喚醒輸入，以及1個標準的16位SPI(Serial Peripheral Interface，串行外設(shè)接口)接口等。通過SPI接口，XC866可以發(fā)送1個16位的命令來控制SBC的運行， SBC同時向XC866回復1個16位的數(shù)據(jù)，指示SBC當前的運行狀態(tài)。

3 SBC的低功耗設(shè)計方案

3.1 SBC集成的外設(shè)

SBC不僅將多個外設(shè)集成到1個芯片內(nèi)部，而且可以通過SPI接口控制這些外設(shè)的打開與關(guān)閉，根據(jù)實際應用情況，可以靈活地控制這些外設(shè)，以達到降低功耗的目的。

① LIN收發(fā)器?？梢酝ㄟ^SPI命令將SBC的工作模式設(shè)置成“LIN Sleep”模式。在這個工作模式下，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)器可以隨時通過主節(jié)點或其他從節(jié)點的LIN消息來激活。

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

③ 高邊開關(guān)。高邊開關(guān)可以直接驅(qū)動LED。在不需要使用LED的場合，可以直接通過SPI命令將該開關(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)動霍爾傳感器正常工作，也可以為其他一些設(shè)備，比如運算放大器供電。在不需要使用霍爾傳感器的場合，可以直接通過SPI命令將該電源關(guān)閉。

3.2 SBC的省電模式與喚醒測試

SBC可以在多個工作模式下工作，根據(jù)實際應用情況，可以靈活地進行工作狀態(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。