博世PMIC CS600電源管理芯片技術分析

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(xiàn)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集成半橋FET的可編程降壓變換器 (SMPS)

? 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

(6)? 可編程補償網絡與電流限制參數(shù)

???4路半橋降壓變換器 (SMPS)

SMPS1, 2 輸出電流 <= 1A，SMPS3, 4 輸出電流 <= 2A，F(xiàn)switching~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(shù)

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(xiàn)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(xiàn)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。看門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(shù)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(shù)。

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。