隨著汽車電子智能化程度的不斷提高,智能駕駛(ADAS)、智能座艙、中央網關以及域控制器等產品越來越普及,相應地對功能安全的需要也逐步提高。
電源管理芯片作為汽車電子系統(tǒng)中的核心器件,其性能直接影響到整個系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。
博世推出的PMIC芯片—— CS600,就能很好地滿足了功能安全合規(guī)性的應用需求。CS600可為系統(tǒng)提供完整的電源解決方案,包括μC、SoC以及相關外設的供電。
如圖1 CS600 結構框圖所示,它除了具有豐富的電源資源外,還配置了GPIO,ADC以及SPI等輔助單元,實現了獨立又多樣的監(jiān)控保護,為產品的高功能安全等級提供了保障。
圖1 CS600結構框圖
博世PMIC CS600的主要特性如下
? 1x同步5V初級Buck變換器 (SR5)
? 1x 外接FET預升壓/升壓變換器 (SRP)
? 寬輸入電壓范圍:3.2V – 36V
? 4x 可編程 LDO線性穩(wěn)壓器
? 2x 降壓變換器,內帶3個雙柵極驅動器 (DGD SMPS) ,支持多相組合/可編程
? 所有電源軌具有單獨可編程的上/下電時序
? 具有SPI通訊接口
? 寬工作結溫范圍:-40°C 至 150°C
? AEC-Q100 1 級汽車認證,支持構建ASIL-D的系統(tǒng)
? OTP 存儲器,存儲用戶配置
? 采用雙排 QFN-96 封裝,尺寸縮小至10x10mm2
從PMIC的特性可以看出,CS600 提供了多至11路的電源軌道,輸出總功率達到35W。CS600采用的是可編程可配置的系統(tǒng)構架,開放給用戶非常多的設置空間,包括電源軌的選用、輸出電壓的設置,電源軌的時序、ADC、GPIO以及錯誤管理器的設置等,使得對CS600的功能使用有很大空間和靈活性。
以下按照具體功能單元進行介紹:
電源軌道資源
1. 預變換器
???降壓變換器 SR5
寬輸入電壓范圍:5.5V – 36V,典型輸出電壓為5.0V,最大允許負載電流為7A。用于為ECU或SoC中的5V負載供電,以及為內部SMPS、LDO和DGD單元提供輸入電源。SR5典型開關頻率為480kHz或通過設置寄存器擴頻,具有短路保護和軟啟動功能。
???預升壓/升壓變換器 SRP
當VBat過低時,SRP可作為預升壓變換器使用,抬高輸入電壓后再輸出給SR5使用。即擴展PMIC的輸入電壓范圍。SRP也單獨作為升壓轉化器使用,由SR5 5V或VSUP/VBat供電,輸出6V至12V。SRP典型開關頻率也為480kHz,同時具有過流保護和軟啟動功能。
2.電源軌
???電源軌的通用特性
(1)? 輸出電壓Vout可編程,包含兩個量程和步長,以提高相對精度。
Vout = 1.64V – 3.825V @ 7.5mV step
Vout = 0.7V – 1.64V @ 3.2mV step
(2)? 每路電源都支持軟啟動
(3)? 所有集成輸出級(LDOx / SMPSx)均具有短路保護
(4)? 所有電源軌具有單獨可編程的上/下電時序
(5)? 電源軌之間可編程相移
???4路 半橋降壓變換器 (SMPS)
SMPS1, 2 輸出電流 <= 1A,SMPS3, 4 輸出電流 <= 2A,Fswitching~1.9MHz
???4路 線性穩(wěn)壓器 (LDO)
LDOx 輸出電流 300mA (Peak: 500mA)?
???2路 降壓變換器 (DGD SMPS)
如圖2所示,DGD 降壓變換器由3個雙柵極驅動器DGD1、DGD2、DGD3以及兩路變換器DGDR1和DGDR3組成。
圖 2 DGD 降壓變換器結構框圖
其中DGDR1可以配置為單相、雙相或三相輸出模式。三相最大輸出電流可達15A(每相5A)。具體輸出配置組合見下表1。
表1 DGD 降壓變換器驅動配置表
電軌時序配置
以預定的順序控制電軌上下電可以防止意外供電,避免浪涌沖擊,功率尖峰等傷害μC、SoC的意外情況發(fā)生。CS600 能夠對所有電源軌的行為進行時序配置。
圖3 時序圖中VREG時序器的處理過程
一個完整的時序可由多至15個片段組成。Voltage Regulator Sequencer(VREG 時序器)將從第一個片段開始處理,按順序依次完成整個序列,如圖3所示。
每個片段可以開啟或關閉任何一路或多路電軌,或控制某路GPOx輸出。VREG 時序器在處理下一個片段之前,會等待設定的觸發(fā)條件的滿足,如PWGood信號,一段設定的時間,或GPIx觸發(fā)的高電平。
當所有條件滿足時,則該段進入評估狀態(tài),檢查處理過程是否超時。如觸發(fā)條件均滿足且不超時,則評估為通過進入到下一片段。如有超時則評估失敗,并報告錯誤管理器。
表2 時序片段中具體行為的設定參數
輔助資源
1.?GPIO
CS600 有7個可配置的通用I/O引腳。除了默認的輸入和輸出功能以外,還可以配置成其他的復用功能。
2.12-bit ADC
CS600設有4路用于外部測量的ADC通道ADC_CH1…ADC_CH4。其中ADC_CH4能夠通過外部多路復用器再擴展出4路通道,由GPIO引腳進行通道選擇,結構如圖4所示。而內部的ADC則主要負責對電源軌的輸出電壓監(jiān)測,2個片上溫度傳感器和VBat的測量。
圖4 ADC 擴展通路結構圖
功能安全策略
功能安全的目的是為了保障系統(tǒng)始終工作在安全、正常的狀態(tài)下。為了實現這個目標CS600采用了非常嚴苛的安全保護策略,與相關的獨立監(jiān)測單元,以實現芯片與系統(tǒng)的高安全等級。目前該PMIC可構建功能安全等級ASIL-D的系統(tǒng)。
1.?電軌監(jiān)控
?? CS600 具有獨立的電壓監(jiān)控功能,監(jiān)控所有電源軌(SRP / SR5 / SMPSx / DGDx / LDOx)的過壓OV或欠壓UV狀態(tài)。
???為每一路電軌(SRP / SR5 / SMPSx / DGDx / LDOx)設計了過流保護電路。
???在SMPSx /LDOx電軌內還增加了溫度監(jiān)測單元,當溫度超過閾值時,將關閉該變換器以防止高溫造成的芯片損壞。
???在時序處理過程中,對每個片段進行超時監(jiān)控,如發(fā)生超時則報告錯誤并停止序列,以防止不正常的軌道上電行為。
2. 確認系統(tǒng)SoC 或 MCU 的正確行為
?? CS600 采用 “質詢-響應” 看門狗,當發(fā)出請求后,SoC 或μC必須在定義的時間窗口內獲取并正確響應請求??撮T狗檢查是否在定義的時間窗口內收到響應以及響應的值是否正確。
?? SPI物理數據傳輸通過兩種方式保護:循環(huán)冗余校驗 (CRC), 傳輸過程對時鐘邊沿計數。
3. 錯誤管理與處理
錯誤管理單元的任務是評估監(jiān)控信號,存儲錯誤信息并觸發(fā)錯誤處理響應。錯誤管理單元分為錯誤評估、錯誤報告和錯誤處理3個階段,如圖5所示。
圖5 錯誤管理單元結構圖
針對每個錯誤的處理響應都是單獨定義的。一般可通過激活NSTPx Pin 或 NRESET Pin 以及更改系統(tǒng)狀態(tài)來實現。其中NSTPx 是CS600 專門提供的兩個開漏安全引腳 NSTP0 和 NSTP1,由系統(tǒng)安全單元控制。
4. 其他
CS600包含兩個獨立的溫度傳感器。如監(jiān)測溫度連續(xù)超過閾值,將實行關機處理。
電源管理芯片作為汽車電子系統(tǒng)中的核心器件,CS600 在滿足電軌資源、電流能力的基礎上,能夠靈活配置,為用戶的汽車電子系統(tǒng)提供更高功能安全等級的保障。
CS600是現在以及將來,μC、SoC系統(tǒng)供電解決方案的一種很好的選擇。
審核編輯:黃飛
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