Микросхемы активации питания с интегрированными микроконтроллерами компании Freescale

Введение

Работа Нобла в области радиотехники привлекла внимание Пола В. Голвина (Paul V. Galvin), основателя и владельца корпорации Galvin Manufacturing (с 1947 года — Motorola). В 1940 году Голвин предложил Ноблу должность руководителя научных исследований.

Деятельность Нобла в области электроники, продолжавшаяся более 50 лет, началась в 1923 году в колледже Сторс (теперь университет штата Коннектикут), в котором он получил степень бакалавра: он изучал радиотехнику. Нобл также вел научную работу в Гарвардском университете и Массачусетском технологическом институте. Среди многих заслуг профессора выделяются его работы, посвященные системам с частотной модуляцией, решение о создании научно-исследовательской лаборатории Motorola в Фениксе с совершенно новым для своего времени направлением — «твердотельная электроника», а также решение о проведении исследования, приведшего к созданию мощного транзистора. В 2000 году в ознаменование заслуг ученого ИИЭР учредил награду (медаль, сертификат и премию) IEEE Daniel E. Noble Award, в 2012 году переименованную в премию IEEE Daniel E. Noble Award for Emerging Technoloies [1, 2, 3].

В 1955 году в компании Motorola были разработаны первые в мире мощные коммерческие транзисторы 2NJ4 и 2N176, нашедшие широкое применение в автомобильных приемниках, применявшихся в продукции как Motorola, так и многих других компаний. Транзисторы были выполнены в металлических корпусах, впоследствии получивших общепринятое название ТО‑3. На рис. 1 показаны первые серийные транзисторы типа 2N176.

Рис. 1. Германиевый транзистор 2N176

В 1974 году, вскоре после Intel 8080, компания Motorola запустила в массовое производство 8‑разрядный микропроцессор МС6800 (рис. 2а), для которого требовалось всего одно напряжение питания +5 В (вместо трех, как у большинства конкурентов). МП состоял из 4500 транзисторов, работал на тактовых частотах 1–2 МГц и адресовал до 64 кбайт памяти. В 1979 году компания выпустила первый 16‑разрядный микропроцессор МС68000, состоящий из 70 000 транзисторов и имеющий производительность 2 млн операций/с. Этот МП нашел применение в компьютерах Apple Macintosh и ПК других фирм.

Рис. 2. Микропроцессор:
а) МС6800;
б) МС68020

В 1984 году Motorola представила первый в мире 32‑разрядный микропроцессор для ПК МС68020 (рис. 2б) с тактовой частотой 16 МГц. Этот МП нашел применение в компьютерах Macintosh II и Macintosh LC, а также в рабочих станциях Sun, анализаторах сетей серии 8711 фирмы Hewlett-Packard и продуктах других компаний.

В 2004 году корпорацию Motorola возглавил Эдвард Зандер (Edward J. Zander). В этом же году ее полупроводниковое отделение было преобразовано в самостоятельную компанию Freescale Semiconductor, которую возглавил Майкл Мейер (Michel Mayer) [4].

К знаковым достижениям этой компании в области полупроводников относятся: разработка и выпуск мощных германиевых транзисторов; внедрение технологии производства транзисторов в пластиковых корпусах, ставшей впоследствии мировым промышленным стандартом; разработка микропроцессоров MC6800, МС68020 и МС68328 (DragonBall).

В настоящее время Freescale является одним из лидеров в области производства полупроводниковых компонентов для встроенных систем, автомобильной промышленности, потребительской электроники, телекоммуникационного и промышленного оборудования. По ряду направлений компания занимает лидирующие позиции, в том числе по поставкам микроконтроллеров для автомобильной электроники (№ 1 в мире среди поставщиков датчиков для подушек безопасности); акселерометров; автомобильных датчиков; коммуникационных процессоров и встроенных процессоров для сетевых технологий; процессоров для электронных книг. Компания выпускает микропроцессоры архитектуры DragonBall, ColdFire, PowerPC, Qorlq, а также сигнальные процессоры на платформе StarCore [5].

Заказчиками Freescale являются более 10 000 компаний и свыше 100 ОЕМ-производителей, обслуживаемых напрямую. Основная часть конечных заказчиков обслуживается через авторизованных дистрибьюторов, в России это Arrow, EBV Elektronik, Farnell, Mouser Electronics, Richardson RFPD, Silica, Rochester Electronics и Symmetron.

В каталоге Freescale 2013 года представлена широчайшая номенклатура полупровод-никовых приборов и микросхем в шести категориях: микроконтроллеры, процессоры, микросхемы управления питанием и аналоговые микросхемы, цифровые сигнальные процессоры и контроллеры, ВЧ-приборы и процессоры, сенсоры [6].

В категории аналоговых микросхем и микросхем управления появился новый класс приборов — микросхемы активации питания. Они ориентированы на выполнение задач в приложениях типа привод/управление нагрузкой и способны не только управлять нагрузками, но и обеспечивать защиту самой нагрузки, определять ее статус и выполнять диагностику неисправностей с передачей информации о них через специальные интерфейсы. В качестве нагрузок могут выступать различные приборы, например светодиоды и двигатели.

Для управления нагрузками могут использоваться:

• Ключи нижнего плеча. (В каталог компании входит 10 типов микросхем, число исполнений каждой микросхемы — от 2 до 14.)
• Ключи верхнего плеча — 14 типов (от трех до 34 исполнений).
• Драйверы с Н‑мостами и конфигурируемые ключи — 15 типов (от двух до 16 исполнений).
• Драйверы затворов полевых транзисторов — восемь типов (от двух до шести исполнений).
• Драйверы светодиодов — два типа (от четырех до 10 исполнений).
• Н‑мостовые драйверы шаговых двигателей — MM908E626 (два исполнения).
• «Взрывные» драйверы — MC33797 (четыре исполнения).
• Микросхемы управления трансмиссией и режимами двигателей автомобилей — 18 типов (от одного до шести исполнений) [7].

Классификационные параметры микросхем активации питания компании, включенные в каталог 2013 года, приведены в таблице.

 Примечания. * В скобках указано число исполнений или типов микросхем в семействе. HSS — ключ верхнего плеча; LIN Phy (Local Interconnector Network Physical Layer) — физический уровень шины LIN; EC Glass Driver — схема управления электрохромными зеркалами заднего вида; ГПЗ — генератор подкачки заряда; ШД — шаговый двигатель, ДВС — двигатель внутреннего сгорания.

В группу приборов активации питания со встроенными микроконтроллерами входят пять микросхем семейства ММ908 Е62х, некоторые исполнения которых предназначены для эксплуатации в жестких условиях. Все микросхемы базируются на 8‑разрядном ядре, флэш-памяти объемом 16 кбайт и ОЗУ объемом 512 байт. В микросхемы интегрированы интерфейсы LIN, ESCI и SPI. Основные области применения микросхем: автомобильная и морская электроника, робототехника, локальные проводные сети, а также управление двигателями, лампами и светодиодами.

Микросхемы MM908E621 и MM908E621FS

MM908E621 и MM908E621FS (рис. 3) — это счетверенный Н‑мост и строенный ключ верхнего плеча с микроконтроллером и интерфейсом LIN в одном корпусе, предназначенный для эффективного управления и контроля параметров нагрузки. В корпус микросхем интегрированы высокоэффективный микроконтроллер НС08 и аналоговая микросхема на основе технологии SMARTMOS.

Рис. 3. Внешний вид микросхемы ММ908Е621

В состав МК НС08 входят:

• ядро M68HC908EY16;
• флэш-память;
• четыре таймера;
• интерфейсы ESCI (Enhanced Serial Commu-nications Interface) иSPI;
• 10‑разрядный АЦП;
• внутренний модуль тактового генератора (Internal Clock Generator, ICG).

Рис. 4. Схема включения ММ908Е621

Аналоговый блок содержит четыре Н‑моста, три ключа верхнего плеча с функциями диагностики, вход для датчиков Холла, аналоговые входы, стабилизатор напряжения, сторожевой таймер и физический уровень интерфейса локальных сетей LIN. Упрощенный вариант включения микросхем приведен на рис. 4, блок-схема — на рис. 5. На рисунках показано, что к микросхемам можно подключить три двигателя постоянного тока (функции реверса и регулировки скорости вращения, диагностика обрывов и КЗ) и три резистивных нагрузки (лампы, реле и т. п.) с определением статуса/диагностики обрывов/КЗ.

Рис. 5. Блок-схема MM908E621

Особенности и параметры микросхем:

• Два 16‑разрядных двухканальных таймера.
• Автономный сторожевой таймер и мониторинг микроконтроллера.
• Вход пробуждения и вход для 3‑проводных датчиков Холла.
• Номинальный диапазон напряжения питания: 9–16 В, расширенный: 7,5–20 В.
• Ток потребления при U_пит = 12 В: 25 мА (рабочий режим), 40 мкА (стоп-режим), 12 мкА (спящий режим).
• Выходное напряжение стабилизатора V_DD: 4,75–5,25 В, выходной ток: до 150 мА.
• Параметры ключей верхнего плеча HS1: R_DSon— 185 мОм (при токе 1 А, Т_j = +25 °C), ток выключения при перегрузке — 6–9 А, частота переключения — до 25 кГц.
• Параметры ключей верхних плеч HS2 и HS3: R_DSon— 440 мОм (1 А), ток выключения при перегрузке — 3,6–5,6 А, частота переключения — до 25 кГц.
• Параметры Н‑мостов НВ1 и НВ2:
  • R_DSon— 750 мОм (1 А);
  • ток выключения при перегрузке — 1–1,5 А;
  • частота переключения — до 25 кГц.
• Параметры Н‑мостов НВ3 и НВ4:
  • R_DSon— 275 мОм (1 А);
  • ток выключения при перегрузке — 4,8–7,2 А;
  • частота переключения — до 25 кГц.
• Параметры коммутируемого выхода HVDD:
  • I— 4,75–5,25 А,
  • ток выключения при перегрузке — 25–50 мА (типовое значение — 35 мА).

Внешнее напряжение питания подается на все восемь выводов VSUP1–VSUP8 микросхемы (рис. 6). При работе в автомобильных приложениях выходное напряжение стабилизатора +5 В с вывода 42 (VDD) обычно подается на вывод питания микроконтроллера 47 (EVDD) через внешний проводник, зашунтированный конденсаторами фильтра (рис. 4). Выводы корпусов аналогового блока и микропроцессора VSS/EVSS также соединяются с внешними проводниками. Для других приложений возможна подача напряжения питания на микроконтроллер от отдельного источника +5 В.

Рис. 6. Назначение выводов микросхемы ММ908Е621

Микросхемы MM908E622 и MM908E622FS

Эти микросхемы отличаются от предыдущих только наличием схемы управления электрохромными зеркалами заднего вида автомобилей (EC glass mirrors). Электрохромное зеркало является разновидностью противоослепляющих зеркал и состоит из двух слоев стекла, между которыми находится слой ЖК-кристаллов. При пропускании тока через этот слой меняется коэффициент отражения зеркала, что позволяет устранить эффект ослепления.

Включение микросхем отличается от приведенного на рис. 4, 5 наличием дополнительных выводов 22 и 23 (EC/ECR), не используемых в микросхемах MM908T621.

Параметры схемы управления электрохромными зеркалами:

• R_DSon: 1 Ом (вывод ECR, ток 0,1 А), 0,4 Ом (вывод ЕС).
• Ток выключения при перегрузке: 0,6–1 А.
• Детектируемое сопротивление обрыва нагрузки: 10 кОм.
• Регулируемое выходное напряжение: 0,18–1,4 В.
• Разрешающая способность ЦАП: шесть разрядов (в диапазоне 0–1,4 В).

Микросхемы MM908E624 и MM908E624FS

Эти микросхемы отличаются упрощенным построением аналогового блока. В его состав входят: три ключа верхнего плеча, стабилизатор с малым падением напряжения, физический уровень интерфейса LIN, входы для подключения датчиков выходного тока нагрузки и датчиков Холла. Микросхемы предназначены для применения в качестве драйверов индуктивных нагрузок, в том числе автомобильных двигателей привода стеклоподъемников, вентиляционных панелей на крыше автомобилей, вентиляторов и т. п.

Микросхемы выпускаются в стандартном исполнении (MM908E624ACPEW) и в исполнении с расширенным диапазоном рабочих температур окружающей среды (MM908E624AYPEW) — –40…+125 °C. Упрощенный вариант включения микро-схем приведен на рис. 7.

Рис. 7. Схема включения ММ908Е624

Основные особенности и параметры аналогового блока микросхем:

• Напряжение питания: 5,5–18 В. (Полная функциональность сохраняется при увеличении напряжения до 27 В при температуре кристалла не более 125 °C.)
• Ток потребления при U_пит = 13,5 В: 20 мА (рабочий режим), 60 мкА (стоп-режим), 35 мкА (спящий режим).
• Выходное напряжение стабилизатора V_DD: 4,75–5,25 В (при I_вых = 2–50 мА), падение напряжения: 0,1 В.
• Параметры ключей верхнего плеча Н1 и Н2:
  • R_DSon— 2 Ом (при I_вых = 150 мА);
  • ток выключения при перегрузке — 300–600 мА.
• Параметры ключа верхнего плеча Н3:
  • R_DSon не более 7 Ом (при I_вых = 50 мА);
  • ток выключения при перегрузке — 60–200 мА.

Напряжение питания для микросхемы подается на выводы VSUP1 (стабилизатор, внутренняя логика, трансивер интерфейса LIN) и VSUP2 (ключи верхнего плеча). Напряжение +5 В на микроконтроллер и АЦП на выводы EVDD, VDDA, VREFH, VCC снимается с выхода стабилизатора напряжения (вывод VDD). Выводы встроенного ОУ для датчиков тока нагрузки: E+, E– — неинвертирующий и инвертирующий входы, OUT — выход ОУ, VCC — напряжение питания +5 В. Вход PWMIN предназначен для непосредственной подачи ШИМ-импульсов на ключи верхнего плеча Н1 и Н2. (При соединении этого вывода с цепью VDD оба ключа открываются.)

Микросхемы MM908E625 и MM908E625FS

Эти микросхемы отличаются от MM908E621 меньшим числом ключей верхнего плеча и наличием дополнительных входов для датчиков Холла. Упрощенный вариант включения микросхем приведен на рис. 8. Функционально микросхемы оптимизированы для применения в автомобилях в качестве драйверов привода зеркал, дверных замков и осветительных приборов.

Рис. 8. Схема включения MM908E625

Основные особенности и параметры микросхем:

• Напряжение питания: 8–18 В.
• Ток потребления при U_пит = 12 В: 20 мА (рабочий режим), не более 60 мкА (стоп-режим).
• Выходное напряжение стабилизатора V_DD: 4,75–5,25 В (при I_вых = 60 мА).
• Параметры ключа верхнего плеча HS: R_DSon— 600 мОм (при I_вых = 1 А), ток выключения при перегрузке — 4–7,5 А.
• Параметры Н‑мостов НВ1–НВ4:
  • R_DSon— не более 500 мОм (1 А);
  • ток выключения при перегрузке — 2,8–7,5 А;
  • пять режимов ограничения выходного тока (Icl1–Icl5) — 55–740 мА.

Напряжение питания для микросхемы подается на выводы VSUP1–VSUP3. Напряжение с выхода стабилизатора +5 В (вывод VDD) подается на МК и АЦП (выводы EVDD и VDDA), а также на ключ коммутируемого выходного напряжения HVDD, которое можно использовать для питания внешних устройств, в том числе датчиков Холла.

Микросхемы MM908E626 и MM908E626FS

Эти микросхемы содержат по четыре Н‑мостовых выхода и ориентированы для применения в качестве драйверов биполярных шаговых двигателей, в том числе автомобильных (климат-контроль, управление световыми приборами). Их можно эксплуатировать при высокой (до +115 °C) температуре окружающей среды. Упрощенный вариант включения микросхем приведен на рис. 9.

Рис. 9. Схема включения ММ908Е626

Параметры Н‑мостов НВ1–НВ4: R_DSon — не более 500 мОм, ток выключения при перегрузке — 2,5–7,5 А, пять режимов ограничения выходного тока (Icl1–Icl5) — 55–740 мА.

Заключение

В аналоговые блоки всех рассмотренных микросхем интегрирован физический уровень интерфейса LIN (стандарт SAE J2602), который предназначен для объединения автомобильных подсистем и узлов, таких как дверные замки, стеклоочистители, стеклоподъемники и т. п. Стандарт промышленной сети LIN (Local Interconnect Network) разработан консорциумом автопроизводителей и других известных компаний: Audi, BMW, Daimler Chrysler, Mercedes-Benz, Motorola, Volcano Communication Technologies, Wolkswagen, Volvo и других. Протокол предназначен для создания дешевых локальных сетей обмена данными на короткие расстояния и служит для передачи входных воздействий, состояний переключателей на панелях, а также ответных воздействий различных устройств, соединенных в одну систему через однопроводную шину LIN и происходящих в так называемом «человеческом» временном диапазоне (сотни миллисекунд).

Рис. 10. Размещение электронных узлов сети LIN в автомобиле

LIN разработан в качестве дополнения к высоконадежным протоколам СAN и FlexRay, базируется на технологии UART/SCI и гарантирует скорость передачи данных до 20 кбит/с. Применение LIN-протокола позволяет реализовать управление, диагностику и обслуживание множества узлов автомобилей в рамках одной мультиплексной системы, а также резко уменьшить количество проводов в сети автомобиля. Важным свойством LIN-интерфейса является возможность самосинхронизации без использования генераторов и кварцевых резонаторов на приемной стороне.

Вариант размещения электронных узлов автомобиля приведен на рис. 10. Синим цветом обозначены элементы сети LIN, желтым — сети FlexRay, коричневым — сети CAN. К типовым узлам автомобиля, которые управляются через сеть LIN или подключены к ней, относятся следующие (номера в звездочках):

• 1 — рулевая колонка: блок круиз-контроля, стеклоочистители, фонари поворотов, блок управления климатом, радиоприемник;
• 2 — крыша: датчик дождя, датчик света, блок управления освещением, верхняя сдвигаемая панель;
• 3 — двигатель/кондиционер: датчики, сервисные двигатели, панель управления климатом;
• 4 — двери/сиденья: зеркала, приборная панель, коммутатор зеркал, стеклоподъемники, дверные замки, двигатели кресел, датчики занятости сидений, панель управления сиденьями.

Интерфейс LIN всех рассмотренных микросхем характеризуется следующими параметрами:

• Выходное напряжение в режиме передачи: максимальное не менее U_пит— 1 В (min), но не более 1,4 В.
• Гистерезис входных напряжений приемника: не менее 0,175U_пит (номинальный диапазон 0,4U_пит…0,6U_пит).
• Сопротивление нагрузочного резистора: 20–47 кОм (типовое — 30 кОм).

Аналоговые блоки всех рассматриваемых микросхем выполнены на основе «интеллектуальной» технологии SMARTMOS, позволяющей объединить на одном кристалле логические, аналоговые и силовые схемы. Технология SMARTMOS используется в комбинации с технологией производства дискретных силовых полевых транзисторов НDTMOS, отличающихся высоким быстродействием и относительно большими рабочими токами. В микросхемах, выполненных по технологии SMARTMOS, предусмотрены различные меры для повышения надежности, в том числе защита от перегрузки по току с автоматическим восстановлением работоспособности и ряд других защитных функций, а также диагностика отказов и выдача сигналов текущего статуса ключевых узлов.