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。

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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3.2.1 SBC Sleep Mode

可以通过直接修改SPI命令来进入该工作模式。在这个工作模式下，LIN收发器以及所有的内部开关都被关闭，同时内部的电压调节器也被关闭，以停止对微控制供电。通过这种方式可以将系统的功耗降到最小。可以通过5个唤醒输入引脚上的电平跳变或者LIN消息来退出该模式，将系统唤醒。被唤醒后，内部的电压调节器将自动激活，微控制器将产生1个复位信号，将系统复位。图2为“Sleep”模式的测试波形。其中，曲线1为唤醒输入引脚MON4的波形，曲线2为复位引脚RESET的波形。在“Sleep”模式下，MON4引脚的输入为12 V高电平，RESET引脚输出0 V低电平。当MON4引脚的电平发生跳变，由高电平变为低电平后，RESET引脚产生1个5 V高电平的复位信号，将系统唤醒并复位。从图中可以看出这段唤醒时间持续约9.5 ms。根据进一步的测量，在该模式下，系统的静态电流约为9 mA。

图2 SBC Sleep Mode 测试波形

3.2.2 SBC Stop Mode

需要先将XC866的工作模式设置成省电模式，再修改SPI命令才能进入该工作模式。在这个工作模式下，LIN收发器以及所有的内部开关也都被关闭，但是并不关闭电压调节器，而是用微弱的静态电流对微控制器供电，微控制器同时停止执行指令。可以通过5个唤醒输入引脚上的电平跳变或者LIN消息来退出该模式。图3为“Stop”模式的测试波形。其中，曲线1为唤醒输入引脚MON4的波形，曲线2为输出引脚P0.5的波形。在“Stop”模式下，MON4引脚的输入为12 V高电平，P0.5引脚输出0 V低电平，当MON4引脚的电平发生跳变，由高电平变为低电平后，将系统唤醒，然后马上让P0.5引脚输出5 V高电平。从图中可以看出这段唤醒时间持续约265 μs。根据进一步的测量，在该模式下，系统的静态电流约为30 mA。与“Sleep”模式相比较，该模式不仅能够极大地降低系统功耗，同时因为没有关闭微控制器，能够更快地将系统唤醒，而且唤醒后不产生复位信号，直接从停止的指令位置继续执行。

图3 SBC Stop Mode 测试波形

4 TLE7810低功耗方案的应用

TLE7810的一个具体应用是电动车窗控制器。基于TLE7810的电动车窗控制器的硬件结构框图如图4所示。其中，高边开关(MON5引脚)为按键背光灯供电，霍尔传感器电源(Supply引脚)同时为霍尔传感器和运算放大器供电。

图4 电动车窗控制器硬件结构框图

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MON5引脚与Supply引脚的输出电平由SPI命令直接控制。当控制车窗升降的4个按键(MON1~MON4)未按下时，通过SPI命令控制MON5引脚输出低电平，按键背光灯灭;当有按键按下时，通过SPI命令控制MON5引脚输出高电平，按键背光灯亮。当电机处于停止状态时，通过SPI命令控制Supply引脚输出低电平，关闭对霍尔传感器与运算放大器的供电。霍尔传感器是在电机运转时测量电机的转速与转向的，运算放大器用来对电机电流进行采样放大，因此在电机处于停止状态时这两个外设都没必要工作，关闭对它们的供电在一定程度上可以降低功耗。

当后门侧车窗在没有收到任何由后车门按键发出的控制命令，也没有收到任何由司机侧车门通过LIN总线发出的命令时，可在延时一段时间后，直接通过SPI命令让系统进入“Sleep”模式。车窗控制器在正常工作模式下，系统电流约150 mA，而在该模式下，TLE7810内部的电源模块停止对所有负载供电，系统电流仅为9 mA，将控制器的功耗降到最小。休眠后，若司机侧或者后门侧按键重新发出命令，可将唤醒系统，进入正常工作状态。

5 总结

本文分析了单片机功耗的来源，以Infineon TLE7810单片机为例，研究了TLE7810特有的SBC的低功耗设计方案，并结合具体电动车窗控制器的例子，简单阐述了TLE7810低功耗设计方案的实际应用。在复杂的实际应用中，还需要综合考虑系统硬件设计相应的软件，结合具体的应用场合，选择合适的低功耗设计方案，以达到降低系统功耗的目的。