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(zhù)電子技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展和數字化產(chǎn)品的普及，嵌入式系統被廣泛應用到汽車(chē)工業(yè)、網(wǎng)絡(luò )、手持通信設備、國防軍事、消費電子和自動(dòng)化控制等各個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)，嵌入式系統設計中的功耗問(wèn)題也正受到普遍的關(guān)注。嵌入式系統一般是由電池來(lái)供電的，系統采用低功耗設計，不僅能夠延長(cháng)電池的壽命，而且可以降低系統的熱耗，對提高可靠性與穩定性有著(zhù)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(chǎng)家紛紛推出功能強大的低功耗單片機。

1 單片機功耗的來(lái)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(dòng)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(méi)有狀態(tài)翻轉時(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)，當電路狀態(tài)翻轉時(shí)產(chǎn)生的功耗為動(dòng)態(tài)功耗。

目前絕大多數的單片機都采用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(dòng)態(tài)功耗由瞬時(shí)導通功耗和電容充放電功耗2部分組成。在單片機運行時(shí)，開(kāi)關(guān)電路不斷地由“1”變“0”，由“0”變“1”，內部電容不停地充放電，要實(shí)現開(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)功耗要遠大于靜態(tài)功耗，是單片機功耗的主要來(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)對單片機功耗來(lái)源的分析，可得出結論：要降低單片機系統的功耗，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，現有的低功耗單片機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(gè)SBC(System Basis Chip，系統基礎芯片)。這樣的結構設計可以滿(mǎn)足汽車(chē)工業(yè)盡乎苛刻的應用條件。同其他廠(chǎng)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，本文對這些功能就不再多做介紹，而是著(zhù)重介紹TLE7810特有的SBC的低功耗設計方案。

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)低壓差電壓調節器、2個(gè)用于驅動(dòng)繼電器的低邊開(kāi)關(guān)、1個(gè)用于驅動(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)標準的16位SPI(Serial Peripheral Interface，串行外設接口)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的運行， SBC同時(shí)向XC866回復1個(gè)16位的數據，指示SBC當前的運行狀態(tài)。

3 SBC的低功耗設計方案

3.1 SBC集成的外設

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

① LIN收發(fā)器?？梢酝ㄟ^(guò)SPI命令將SBC的工作模式設置成“LIN Sleep”模式。在這個(gè)工作模式下，LIN收發(fā)器的內部上拉電阻被關(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)主節點(diǎn)或其他從節點(diǎn)的LIN消息來(lái)激活。

② 低壓差電壓調節器?？梢酝ㄟ^(guò)SPI命令將SBC的工作模式設置成“Sleep”模式。在這個(gè)工作模式下，該電壓調節器被關(guān)閉，以停止對微控制器供電，從而使系統進(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，驅動(dòng)霍爾傳感器正常工作，也可以為其他一些設備，比如運算放大器供電。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試

SBC可以在多個(gè)工作模式下工作，根據實(shí)際應用情況，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的功耗。