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推动权力的极限

已有 1208 次阅读2018-4-12 11:46 |个人分类:电子技术| 微控制器

        微型化推动微控制器进入越来越小的性能越来越高的封装。随着控制器核心使用先进的硅制造工艺变小,有更多的机会添加外围设备并减小设备的尺寸。同时,功耗也会从高性能、附加外围设备和泄漏电流的增加中增加,从而提高热需求。

  所有这些都为时钟速度、电压和封装技术创造了良好的平衡,为微小型系统中的微控制器提供最佳性能。在微控制器中管理电源是保持系统在热包层内的关键因素,而不必使用诸如风扇之类的主动冷却,从而降低嵌入式系统的可靠性。

  虽然被动冷却,如热管可以用来传输热量从散热器到散热片,这增加了系统的大小,并否定了处理的小型化。因此,对控制器中功率的管理和处理是整个系统小型化的关键。

  控制器越小,包装和系统的热特性就越受到关注。移动到芯片级封装允许使用新的热管理技术,如热涂层。这是更必要的,因为硅模具往往更薄,以减少漏电流和电容,但这减少了热储能和潜在的使模具更容易开裂的热不平衡。

  在美国的美国研究机构有一个热管理技术(TMT)程序,探索和优化纳米材料可用于热管理系统。它是工作在热接地平面(TGP)与高性能的散热器,利用两相热管冷却替代铜合金散热器的常规系统无需改变系统的设计,提高冷却技术。

  该计划还打算通过减少热阻力通过热沉到周围环境,增加对流通过系统,提高散热片散热率,优化和/或重新设计免费散热器风扇,并提高整体系统的性能系数,以提高空气冷却换热器。

  同时,该纳米热界面(NTI)项目是寻找新的材料和结构,可以提供在热界面层热阻的一个电子装置和包下一层的背面之间的显著减少,这可能是一个散热器或散热片。

  这是为了避免需要热基板,如陶瓷材料,这可能是昂贵的。

  在微控制器中可以实现各种技术,以保持系统的热信封内的功率。降低系统的电压可以降低功率,并且在不使用时关闭设备中的各个块的能力有助于减少热活动。同样地,减少时钟频率以满足处理要求,并添加时钟门控来关闭外围块也有助于管理电源。

  这是NXP公司的最新单片机,显示lcp54102,解决电源问题相结合的处理器。一种超低功耗ARM Cortex-M0+内核的100 MHz运行功耗55 W / MHzμ管理设备和监控系统,具有较大的100 MHz ARM Cortex-M4处理器的复杂算法的处理。3.3×3.3毫米的芯片采用90纳米工艺256 KB的闪存和104 KB的SRAM,ADC,定时器和数字接口。

  NXP公司的意大利浓咖啡开发板的图像

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  图1:与lcp54102 NXP公司的意大利浓咖啡单片机开发板。

  所有这一切的目的是降低电池供电的传感器融合应用的整体功耗,因为电压自动调整在0.85 V和1.35 V之间,以匹配每个处理器核的不同频率设置,这取决于功率分布。这些电源配置文件在ROM中带有一个api,可以轻松地管理芯片上的所有外设和核心的频率和休眠模式,尽管这些设备也可以直接调整。设置和API都可以通过意大利浓咖啡开发板访问。然而,包装和系统设计必须考虑到设备的最大功耗。而平均功率可能会减少,而用在空闲模式下的功率也越低,峰值功率可容纳把热量从核心处理器散热器和途径。

  一个例子是晶圆级芯片尺寸封装(CSP)由飞思卡尔的Kinetis kl03处理器,尺寸仅为1.6×2毫米半导体发展。

  飞思卡尔芯片级封装的图像

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  图2:飞思卡尔的芯片规模封装的Kinetis微控制器kl03。

  的kl03 CSP(mkl03z32caf4r)同时整合等功能的低功耗减少电路板空间(LP)UART,SPI,我?C,模数转换器(ADC)和支持低功耗模式操作不醒的核心与ARM Cortex-M0+内核定时器的LP。

  单周期快速I/O访问端口允许有效的比特敲打和软件协议仿真,保持一个8位的“外观和感觉”,同时保持功耗低,多个灵活的低功耗模式包括一个新的计算时钟选项,减少动态功耗通过放置在异步停止模式的外设。

  对飞思卡尔Kinetis kl03框图形象

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  图3:的Kinetis kl03–外围模块可以单独控制,以减少热剖面图。

  作为一个结果,Kinetis kl03 CSP少消耗35%的PCB面积但60% GPIO比其他设备。这使得设计人员可以在不影响最终产品性能、功能集成和功耗的情况下大幅度降低电路板尺寸,但仍然强调了良好的热管理的必要性。

  飞思卡尔自由开发委员会的图片

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  图4:飞思卡尔的自由开发板带的kl03控制器。

  通过收购微能源,硅实验室现在拥有一系列高能量的微控制器。结合32位ARM Cortex-M0+内核,创新节能技术,短的唤醒时间从节能模式,和多种选择的efm32zg单片机外设,针对低能耗设计。

  微控制器中的一个关键部件是能量管理单元,它管理微控制器中的所有低能量模式(EM)。每个能量模式管理CPU和各种外设是否可用。该块还可以用来关闭未使用的SRAM块的电源。这一环节的时钟管理单元(CMU)控制的振荡器和时钟芯片,让时钟和关闭在个人基础上除了启用/禁用和配置可用振荡器所有外围模块。高度的灵活性使软件能够在任何特定的应用程序中减少能量消耗,而不是浪费在不活跃的外围设备和振荡器上。

  对efm32zg低功耗单片机从Silicon Labs的图像

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  图5:从Silicon Labs的efm32zg低功耗微控制器。

  另一个家庭的微控制器采用ARM Cortex-M0内核是从英飞凌XMC1000。这是一个65纳米的制造过程,克服了今天的8位设计的局限性,闪存从8 KB扩展到200 KB。LED照明和人机界面设计的XMC1200线功能的外设,和XMC1300系列解决了实时控制的电机控制和数字电源转换应用的需求。作为家庭的目标是在8位设计更换控制器,封装在16和38引脚塑料tssops,还有更热的思考。这些可以用深睡眠模式来解决,在不使用时关闭芯片。

  32位图像从英飞凌XMC1000

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  图6:从Infineon 32位XMC1000主要用于替代设计8位控制器和必须考虑散热问题。

  开发系统的图像从英飞凌XMC1000

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  图7:从英飞凌XMC1000开发系统。

  结论

  驱动系统的小型化给微控制器系统的热设计和管理带来了挑战。这可以通过新的热管和封装技术来实现,以补偿增加的功耗,以及更复杂的电源管理技术。能够使用系统软件来控制时钟信号和电压到单个外围块以及控制器核心,也有助于降低功耗,使硅能够在现有的甚至更小的芯片级封装中有效地运行。这有助于平衡减少核心和包的大小和系统热需求之间的竞争需求。


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