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高集成度低成本智能功率芯片方案解析
发布时间:2017-11-22 阅读：次 [打印文章] [关闭窗口]引言
近几年来，随着电子技术、信一体成型贴片电感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塑封电感器机。
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电感生产厂家都采用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单片机兼功率电感器容的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也提供了灵活的时功率电感钟方案、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。
① LIN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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