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高集成度低教材成本智能功率芯片方案解析
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。
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