高集成度低教材成本智能功率芯片方案解析.pdf

高集成度低成本智能功率芯片方案解析 引言 近几年来，随着电子技术、信息技术的发展和数字化产品的普及，嵌入式系统被广泛应用 到汽车工业、网络、手持通信设备、国防军事、消费电子和自动化控制等各个领域。同时， 嵌入式系统设计中的功耗问题也正受到普遍的关注。嵌入式系统一般是由电池来供电的， 系统采用低功耗设计，不仅能够延长电池的寿命，而且可以降低系统的热耗，对提高可靠 性与稳定性有着重要意义。在这种应用背景下，Infineon、Freescale、Atmel、TI 等知名单 片机生产厂家纷纷推出功能强大的低功耗单片机。 1 单片机功耗的来源 单片机是一种集成度较高的芯片。通常，集成电路的功耗分为静态功耗和动态功耗 2 部分。 静态是指“0”和“1” 的恒定状态，当电路没有状态翻转时产生的功耗为静态功耗;动态是指“0” 和“1“ 的跳变状态，当电路状态翻转时产生的功耗为动态功耗。 目前绝大多数的单片机都采用CMOS 工艺。CMOS 电路为电压控制型，一般情况下静态功 耗极小。它的动态功耗由瞬时导通功耗和电容充放电功耗2 部分组成。在单片机运行时， 开关电路不断地由“1”变“0” ，由“0”变“1” ，内部电容不停地充放电，要实现开关电路快速关 断和电容的快速充放电，需要比较大的动态电流[3]。因此CMOS 的动态功耗要远大于静态 功耗，是单片机功耗的主要来源。动态功耗主要受工作频率和工作电压的影响。 通过对单片机功耗来源的分析，可得出结论：要降低单片机系统的功耗，可以采取降低工 作频率、降低工作电压和尽可能使电路处于静态的方法。事实上，现有的低功耗单片机也 都提供了灵活的时钟方案、电源管理方案，以及低功耗工作模式，在硬件上为降低工作频 率、降低工作电压和使电路处于静态工作状态提供了可能。 2 TLE7810 简介 TLE7810 是 Infineon 公司推出的一款高集成度低成本智能功率芯片，主要应用于汽车工业。 其功能模块图如图 1 所示。它集成了 1 个支持片上调试功能并且与标准8051 单片机兼容 的8 位微控制器XC866 ，以及1 个SBC(System Basis Chip ，系统基础芯片)。这样的结构 设计可以满足汽车工业尽乎苛刻的应用条件。同其他厂家的微控制器类似，Infineon XC866 也提供了灵活的时钟方案、电源管理方案和低功耗工作模式，本文对这些功能就不 再多做介绍，而是着重介绍TLE7810 特有的SBC 的低功耗设计方案。 图1 TLE7810 功能模块图 从图 1 中可以看出，SBC 配备 1 个LIN 收发器、1 个低压差电压调节器、2 个用于驱动继电 器的低边开关、1 个用于驱动LED 的高边开关、1 个霍尔传感器电源、5 个唤醒输入，以及 1 个标准的 16 位SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)接口等。通过SPI 接口， XC866 可以发送 1 个 16 位的命令来控制SBC 的运行，SBC 同时向XC866 回复1个 16 位 的数据，指示SBC 当前的运行状态。 3 SBC 的低功耗设计方案 3.1 SBC 集成的外设 SBC 不仅将多个外设集成到1 个芯片内部，而且可以通过SPI 接口控制这些外设的打开与 关闭，根据实际应用情况，可以灵活地控制这些外设，以达到降低功耗的目的。 ①LIN 收发器。可以通过SPI 命令将SBC 的工作模式设置成“LIN Sleep”模式。在这个工作 模式下，LIN 收发器的内部上拉电阻被关掉，以此来禁用LIN 收发器，这样就能够减小一 部分电流消耗。禁用的LIN 收发器可以随时通过主节点或其他从节点的LIN 消息来激活。 ②低压差电压调节器。可以通过SPI 命令将SBC 的工作模式设置成“Sleep”模式。在这个 工作模式下，该电压调节器被关闭，以停止对微控制器供电，从而使系统进入休眠状态， 将功耗降到最小。 ③高边开关。高边开关可以直接驱动LED。在不需要使用LED 的场合，可以直接通过SPI 命令将该开关关闭。 ④霍尔传感器电源。该电源可以直接为霍尔传感器供电，驱动霍尔传感器正常工作，也可 以为其他一些设备，比如运算放大器供电。在不需要使用霍尔传感器的场合，可以直接通 过SPI 命令将该电源关闭。 3.2 SBC 的省电模式与唤醒测试 SBC 可以在多个工作模式下工作，根据实际应用情况，可以灵活地进行工作状态的切换。 SBC 提供了2 种省电模式，“Sleep”模式和“Stop”模式。工作在这2 种模式下，可以极大地 降低系统的功耗。