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一文搞懂航順HK32AUTO39A-3A系列單片機(jī)，工作原理+特征+電路圖
HK32AUTO39A-3A 使用 ARM? Cortex?-M3 內(nèi)核，最高工作頻率為 120 MHz，支持一級(jí) 1 Kbyte 指令 Cache 緩存。HK32AUTO39A-3A 內(nèi)置了航順自主研發(fā)的協(xié)處理器，可實(shí)現(xiàn) ARM? Cortex?-M4 內(nèi)核支持的算 術(shù)指令中的絕大部分，包括 32 位單精度浮點(diǎn)運(yùn)算；此外，協(xié)處理器支持多種自定義的 32 位及 64 位算術(shù)運(yùn)算。
HK32AUTO39A-3A 內(nèi)置了大容量存儲(chǔ)器：527 Kbyte Flash（最高）、64Kbyte SRAM、32Kbyte 緊耦合 SRAM 和 1Kbyte Cache。此外，通過(guò) FSMC 模塊可外掛最多 1 GB 容量的外部靜態(tài)存儲(chǔ)器，其中 256 Mbyte 的空 間可以存放指令，并可用于片內(nèi) 1 Kbyte 指令 Cache 緩存。通過(guò) QSPI 模塊外掛 256 Mbyte 容量的 NOR Flash 存儲(chǔ)器，可存放指令，并且可用于片內(nèi) 1 Kbyte 指令 Cache 緩存。
HK32AUTO39A-3A 內(nèi)置了 AES、HASH 和 TRNG 真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，用于數(shù)據(jù)加解密及數(shù)字簽名等應(yīng)用； 內(nèi)置的 CRC 模塊支持?jǐn)?shù)據(jù)完整性的檢查。
HK32AUTO39A-3A 通過(guò)內(nèi)置的數(shù)字照相機(jī)接口（DCMI）、4 路 TFT 接口和 2 個(gè) DMA 模塊（共 12 路 DMA 通道）可實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像視頻從捕獲、運(yùn)算處理到顯示的單芯片解決方案。
HK32AUTO39A-3A 內(nèi)置了串行音頻接口 SAI，支持當(dāng)前大多數(shù)的音頻接口協(xié)議。
HK32AUTO39A-3A 內(nèi)置最多 2 個(gè)高級(jí) 16 位定時(shí)器（共 8 路 PWM 輸出，其中 6 路帶死區(qū)互補(bǔ)輸出）， 4 個(gè)通用 16 位定時(shí)器（共 16 路 PWM 輸出），2 個(gè)基本 16 位定時(shí)器。2 個(gè)高級(jí)定時(shí)器與內(nèi)置的 4 路電壓 比較器（COMP）片內(nèi)互連，可為客戶節(jié)省電機(jī)方案中板級(jí)電壓比較器及相關(guān)電路。
HK32AUTO39A-3A 提供獨(dú)立的 VBAT電池電源域。當(dāng) VDD 主電源掉電時(shí)，RTC 模塊可在 VBAT 電源供電下 繼續(xù)工作。
HK32AUTO39A-3A 內(nèi)置了豐富的模擬電路：3 個(gè) 12 位 ADC（共 25 路模擬信號(hào)輸入通道，其中 2 路弱 驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入通道和 1 路 5 V 高壓信號(hào)輸入通道）、2 個(gè) 12 位 DAC、1 個(gè)溫度傳感器、1 個(gè) 0.8 V 內(nèi)部參 考電壓源、1 個(gè)低電壓檢測(cè)器（LVD）、1 個(gè)上/下電復(fù)位（POR/PDR）電路和 1 個(gè) VBAT 電源電阻分壓器（分 壓器輸出在片內(nèi)與 ADC 相連）。
HK32AUTO39A-3A 支持豐富的功耗模式；在最低功耗模式下，芯片的典型漏電電流小于 100 nA。 HK32AUTO39A-3A 系列產(chǎn)品均包括 48 腳、64 腳和 100 腳封裝形式；根據(jù)不同的封裝形式，器件的外 設(shè)配置有所不同。
HK32AUTO39A-3A 擁有豐富的外設(shè)配置，適合應(yīng)用于汽車電子。
特性
ARM? Cortex? -M3 Core
最高時(shí)鐘頻率：120 MHz
?24 位 System Tick 計(jì)時(shí)器
? 工作電壓范圍
? 雙電源域：主電源 VDD為 2.0 V ~ 3.6 V、備份電源 VBAT 為 1.8 V ~ 3.6 V。
? 當(dāng)主電源掉電時(shí)，RTC 模塊可繼續(xù)工作在 VBAT 電源下。
? 當(dāng)主電源掉電時(shí)，VBAT 電源為 86 Byte 備份寄存器持續(xù)供電。
? VDD 典型工作電流
? 運(yùn)行（Run）模式動(dòng)態(tài)功耗：19.34 mA@120MHz@3.3V
? 睡眠（Sleep）模式靜態(tài)功耗：5.65 mA@120MHz@3.3V（喚醒時(shí)間：1 個(gè)機(jī)器時(shí)鐘周期）
? 停機(jī)（Stop）模式靜態(tài)功耗：
- LDO 全速工作：303 μA@3.3V
- LDO 低功耗：89.47 μA@3.3V（喚醒時(shí)間：10μs）
? 待機(jī)（Standby）模式靜態(tài)功耗：3.36 μA@3.3V（喚醒時(shí)間：150μs）
? 關(guān)機(jī)（Shutdown）靜態(tài)功耗：0.09μA @3.3V（喚醒時(shí)間：200μs）
? VBAT 典型工作電流（VDD掉電）
? VBAT RTC 模式功耗：2.67 μA @3.3V
? VBAT 模式功耗：2.19 μA @3.3V（RTC 關(guān)閉，備份寄存器保持）
? 算術(shù)運(yùn)算協(xié)處理器（COALU）
? 實(shí)現(xiàn) ARM? Cortex? -M4 內(nèi)核支持的絕大部分算術(shù)指令。
? 32 位單精度浮點(diǎn)運(yùn)算
? 支持多種自定義的 32 位及 64 位算術(shù)運(yùn)算。
DMA 控制器
? 2 個(gè)獨(dú)立 DMA 控制器：DMA1 和 DMA2
? DMA1 提供 7 路通道
? DMA2 提供 5 路通道
? 支持 Timer、ADC、SPI、I2C、USART 等多種外設(shè)觸發(fā)。
存儲(chǔ)器
? 527 Kbyte 的 Flash 存儲(chǔ)器，包括主區(qū) Flash 512 Kbyte，Information 空間 15 Kbyte。當(dāng) CPU 主 頻不高于 24 MHz 時(shí)，支持 0 等待總線周期，具有代碼安全保護(hù)功能，可分別設(shè)置讀保護(hù)和 寫保護(hù)。
? 1 Kbyte CPU 指令 Cache 緩存
? 具有 64Kbyte SRAM 和 32Kbyte CCM SRAM ? FSMC 模塊可外掛 1 GB NOR/PSRAM/NAND/PC Card 存儲(chǔ)器（其中，256 Mbyte 的空間可以存 放指令，可用于片內(nèi) Cache 緩存）。
? QSPI 模塊可外掛 256 Mbyte NOR Flash 存儲(chǔ)器（可存放指令，用于片內(nèi) Cache 緩存）。
? 內(nèi)置指令加解密功能，放在片內(nèi)存儲(chǔ)器和外掛存儲(chǔ)器的指令可實(shí)現(xiàn)千芯千面的密文存儲(chǔ)。
? 時(shí)鐘
? 外部 HSE 時(shí)鐘：支持 4 ~ 32 MHz 晶振
? 外部 LSE 時(shí)鐘：32.768 kHz 晶振
? 內(nèi)部 HSI 時(shí)鐘：56 MHz/28MHz/8 MHz
? 內(nèi)部 LSI 時(shí)鐘：40 kHz
? PLL 輸出時(shí)鐘：120MHz（最大值）
復(fù)位
? 外部管腳復(fù)位
? 電源復(fù)位
? 軟件復(fù)位
? 看門狗（IWDG 和 WWDG）定時(shí)器復(fù)位
? 低功耗管理復(fù)位
? 安全加密
? TRNG 真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器
? 128/192/256 位密鑰長(zhǎng)度可配的 AES
? HASH（SHA-256）
? CRC32
? 數(shù)據(jù)通訊接口
? 6 路 USART
? 3 路 SPI（均支持 I2S 協(xié)議）
? 2 路 I2C
? 1 路 SDIO
? 2 路 CAN 2.0 A/B
? 1 路全速（FS）USB
? 音視頻數(shù)據(jù)接口
? 1 個(gè)數(shù)字照相機(jī)接口（DCMI）
? 4 路 TFT 接口
? 1 個(gè)串行音頻接口（SAI），包括 2 個(gè)獨(dú)立的音頻協(xié)議處理模塊
? 定時(shí)器及 PWM 發(fā)生器
? 高級(jí)定時(shí)器：TIM1/TIM8（6 路帶死區(qū)互補(bǔ) PWM 輸出）
? 通用定時(shí)器：TIM2/TIM3/TIM4/TIM5（16 位定時(shí)器）
? 基本定時(shí)器：TIM6/TIM7（支持 CPU 中斷、DMA 請(qǐng)求和 DAC 轉(zhuǎn)換觸發(fā)）
? 可編程電壓檢測(cè)（PVD）
? 8 級(jí)檢測(cè)電壓門限可調(diào)
? 上升沿和下降沿檢測(cè)可配置
? 片內(nèi)模擬外設(shè)
? 3 個(gè) 12 位 1 MSPS ADC（共 25 路模擬信號(hào)輸入通道；其中 2 路弱驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入通道和 1 路 5 V 高壓信號(hào)輸入通道）；支持雙 ADC 模式，采樣率最高 2 MSPS。
? 2 個(gè) 12 位 DAC
? 1 個(gè)溫度傳感器
? 1 個(gè) 0.8 V 內(nèi)部參考電壓源
? 1 個(gè) VBAT 電源電阻分壓器（分壓器輸出在片內(nèi)與 ADC 相連，實(shí)現(xiàn) VBAT電源電壓監(jiān)控）
? 4 路 COMP 電壓比較器（與片內(nèi) 2 個(gè)高級(jí) PWM 定時(shí)器互連，可為用戶節(jié)省電機(jī)方案中板 級(jí) COMP 電壓比較器及相關(guān)電路）
ID 標(biāo)識(shí)
? 每顆 HK32AUTO39A-3A 芯片提供一個(gè)唯一的 96 位 ID 標(biāo)識(shí)
? 調(diào)試及跟蹤接口
? SW-DP 兩線調(diào)試端口
? JTAG 五線調(diào)試端口
? ARM DWT、FPB、ITM、TPIU 調(diào)試追蹤模塊
? 單線異步跟蹤數(shù)據(jù)輸出接口（TRACESWO）
? 四線同步跟蹤數(shù)據(jù)輸出接口（TRACEDO[3:0]，TRACECKO）
? 自定義 DBGMCU 調(diào)試控制器（低功耗模式仿真控制、調(diào)試外設(shè)時(shí)鐘控制、調(diào)試及跟蹤接口 分配）。
? 通用輸入輸出端口（GPIO）
? 64 腳 MCU 提供 51 個(gè) GPIO 引腳，100 腳 MCU 提供 80 個(gè) GPIO 引腳
? 所有 GPIO 引腳可配置為外部中斷輸入
? 內(nèi)置可開關(guān)的上、下拉電阻 ? 支持開漏（Open-Drain）輸出
? 支持施密特（Schmitt）遲滯輸入
? 輸出驅(qū)動(dòng)能力超高、高、中、低四檔可選
? 提供最高 40 mA 驅(qū)動(dòng)電流 ? RTC 時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，配合軟件記錄年月日時(shí)分秒
? 可靠性
? 通過(guò) HBM3000V/CDM500V/MM200V/LU200mA 等級(jí)測(cè)試
? 工作溫度范圍
? 工作溫度為-40°C ~ 105°C： - HK32AUTO39A-3ACET7
? 工作溫度為-40°C ~ 125°C： - HK32AUTO39A-3ACET3 - HK32AUTO39A-3ARET3 - HK32AUTO39A-3AVET3
引腳
電源供電電路圖
方框圖
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突破：華中科技大學(xué)新研究為電子元器件穿上“熱隱衣”
新華社7月7日電如何突破電子元器件遭遇高溫環(huán)境使用效能大打折扣的技術(shù)瓶頸？近日，國(guó)際權(quán)威期刊《先進(jìn)材料》在線刊發(fā)了華中科技大學(xué)高亮教授團(tuán)隊(duì)關(guān)于熱學(xué)超材料智能設(shè)計(jì)的最新研究成果。該成果有效突破了熱學(xué)超材料智能設(shè)計(jì)的技術(shù)瓶頸，設(shè)計(jì)了“熱隱衣”，可屏蔽外部溫度場(chǎng)對(duì)器件內(nèi)部物體的干擾，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)隔熱，能夠用于熱敏元器件的熱防護(hù)。熱學(xué)超材料設(shè)計(jì)涉及高維設(shè)計(jì)空間、多個(gè)局部極值，計(jì)算成本巨大，給熱學(xué)超材料的智能設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。針對(duì)上述挑戰(zhàn)，高亮團(tuán)隊(duì)提出了深度學(xué)習(xí)賦能的熱學(xué)超材料拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了自由形狀熱學(xué)超材料的智能設(shè)計(jì)。該方法采用深度生成模型，根據(jù)熱學(xué)超材料的定制功能需求，可自動(dòng)、實(shí)時(shí)地生成具有目標(biāo)熱傳導(dǎo)張量的拓?fù)涔δ軉伟M(jìn)而快速生成熱學(xué)超材料。“基于上述思路，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了多種具有自由形狀、背景溫度獨(dú)立、全方向功能的熱隱身超材料，并通過(guò)數(shù)值仿真和熱學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其良好的熱隱身效果。”高亮說(shuō)。上述研究工作為熱學(xué)超材料的智能設(shè)計(jì)提供了全新思路，可靈活實(shí)現(xiàn)不同背景材料、自由形狀和不同熱功能的熱學(xué)超材料的快速設(shè)計(jì)，解決傳統(tǒng)熱學(xué)超材料設(shè)計(jì)中大規(guī)模計(jì)算與反復(fù)優(yōu)化迭代所帶來(lái)的計(jì)算效率低等難題，進(jìn)一步推動(dòng)熱學(xué)超材料在電子等多領(lǐng)域的工程應(yīng)用。
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電子干貨！詳解大功率電源中MOSFET功耗的計(jì)算
功率MOSFET是便攜式設(shè)備中大功率開關(guān)電源的主要組成部分。此外，對(duì)于散熱量極低的筆記本電腦來(lái)說(shuō)，這些MOSFET是最難確定的元件。本文給出了計(jì)算MOSFET功耗以及確定其工作溫度的步驟，并通過(guò)多相、同步整流、降壓型CPU核電源中一個(gè)30A單相的分布計(jì)算示例，詳細(xì)說(shuō)明了上述概念。也許，今天的便攜式電源設(shè)計(jì)者所面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)就是為當(dāng)今的高性能CPU提供電源。CPU的電源電流最近每?jī)赡昃头环Ｊ聦?shí)上，今天的便攜式核電源電流需求會(huì)高達(dá)60A或更多，電壓介于0.9V和1.75V之間。但是，盡管電流需求在穩(wěn)步增長(zhǎng)，留給電源的空間卻并沒有增加—這個(gè)現(xiàn)實(shí)已達(dá)到了熱設(shè)計(jì)的極限甚至超出。如此高電流的電源通常被分割為兩個(gè)或更多相，每一相提供15A到30A。這種方式使元件的選擇更容易。例如，一個(gè)60A電源變成了兩個(gè)30A電源。但是，這種方法并沒有額外增加板上空間，對(duì)于熱設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)基本上沒有多大幫助。在設(shè)計(jì)大電流電源時(shí)，MOSFET是最難確定的元件。這一點(diǎn)在筆記本電腦中尤其顯著，這樣的環(huán)境中，散熱器、風(fēng)扇、熱管和其它散熱手段通常都留給了CPU。這樣，電源設(shè)計(jì)常常要面臨狹小的空間、靜止的氣流以及來(lái)自于附近其它元件的熱量等不利因素的挑戰(zhàn)。而且，除了電源下面少量的印制板銅膜外，沒有任何其它手段可以用來(lái)協(xié)助耗散功率。在挑選MOSFET時(shí)，首先是要選擇有足夠的電流處理能力，并具有足夠的散熱通道的器件。最后還要量化地考慮必要的熱耗和保證足夠的散熱路徑。本文將一步一步地說(shuō)明如何計(jì)算這些MOSFET的功率耗散，并確定它們的工作溫度。然后，通過(guò)分析一個(gè)多相、同步整流、降壓型CPU核電源中某一個(gè)30A單相的設(shè)計(jì)實(shí)例，進(jìn)一步闡明這些概念。計(jì)算MOSFET的耗散功率為了確定一個(gè)MOSFET是否適合于某特定應(yīng)用，你必須計(jì)算一下其功率耗散，它主要包含阻性和開關(guān)損耗兩部分：PDDEVICE TOTAL= PDRESISTIVE + PDSWITCHING由于MOSFET的功率耗散很大程度上依賴于它的導(dǎo)通電阻(RDS(ON))，計(jì)算RDS(ON)看上去是一個(gè)很好的出發(fā)點(diǎn)。但是MOSFET的RDS(ON)與它的結(jié)溫(TJ)有關(guān)。話說(shuō)回來(lái)，TJ又依賴于MOSFET的功率耗散以及MOSFET的熱阻(ΘJA)。這樣，似乎很難找到一個(gè)著眼點(diǎn)。由于功率耗散的計(jì)算涉及到若干個(gè)相互依賴的因素，我們可以采用一種迭代過(guò)程獲得我們所需要的結(jié)果(圖1)。圖1. 該流程圖展示了選擇各MOSFET (同步整流器和開關(guān)MOSFET)的迭代過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，各MOSFET的結(jié)溫為假設(shè)值，兩個(gè)MOSFET的功率耗散和允許環(huán)境溫度通過(guò)計(jì)算得出。當(dāng)允許的環(huán)境溫度達(dá)到或略高于我們所期望的機(jī)箱內(nèi)最高溫度時(shí)(機(jī)箱內(nèi)安裝了電源及其所驅(qū)動(dòng)的電路)，這個(gè)過(guò)程就結(jié)束了。迭代過(guò)程始于為每個(gè)MOSFET假定一個(gè)結(jié)溫，然后，計(jì)算每個(gè)MOSFET各自的功率耗散和允許的環(huán)境溫度。當(dāng)允許的環(huán)境氣溫達(dá)到或略高于電源及其所驅(qū)動(dòng)的電路所在的機(jī)殼的期望最高溫度時(shí)，這個(gè)過(guò)程便結(jié)束了。有些人總試圖使這個(gè)計(jì)算所得的環(huán)境溫度盡可能高，但通常這并不是一個(gè)好主意。這樣就要求采用更昂貴的MOSFET，在MOSFET下鋪設(shè)更多的銅膜，或者要求采用一個(gè)更大、更快速的風(fēng)扇產(chǎn)生氣流—所有這些都不是我們所期望的。從某種意義上講，先假定一個(gè)MOSFET結(jié)溫，然后再計(jì)算環(huán)境溫度，這是一種逆向的考慮方法。畢竟環(huán)境溫度決定了MOSFET的結(jié)溫—而不是相反。不過(guò)，從一個(gè)假定的結(jié)溫開始計(jì)算要比從環(huán)境溫度開始容易一些。對(duì)于開關(guān)MOSFET和同步整流器，我們可以選擇一個(gè)最大允許的管芯結(jié)溫(TJ(HOT))作為迭代過(guò)程的出發(fā)點(diǎn)。多數(shù)MOSFET的數(shù)據(jù)資料只規(guī)定了+25°C下的最大RDS(ON)，不過(guò)最近有些MOSFET文檔也給出了+125°C下的最大值。MOSFET的RDS(ON)隨著溫度而增加，典型溫度系數(shù)在0.35%/°C至0.5%/°C之間(圖2)。圖2. 典型功率MOSFET的導(dǎo)通電阻的溫度系數(shù)在0.35%每度(綠線)至0.5%每度(紅線)之間如果拿不準(zhǔn)，可以用一個(gè)較差的溫度系數(shù)和MOSFET的+25°C規(guī)格(或+125°C規(guī)格，如果有的話)近似估算在選定的TJ(HOT)下的最大RDS(ON)：RDS(ON)HOT= RDS(ON)SPEC[1 + 0.005 × (TJ(HOT)- TSPEC)]其中，RDS(ON)SPEC是計(jì)算所用的MOSFET導(dǎo)通電阻，TSPEC是規(guī)定RDS(ON)SPEC時(shí)的溫度。利用計(jì)算出的RDS(ON)HOT，可以確定同步整流器和開關(guān)MOSFET的功率消耗，具體做法如下所述。在下面的章節(jié)中，我們將討論如何計(jì)算各個(gè)MOSFET在給定的管芯溫度下的功率消耗，以及完成迭代過(guò)程的后續(xù)步驟(整個(gè)過(guò)程詳述于圖1)。同步整流器的功耗除最輕負(fù)載以外，各種情況下同步整流器MOSFET的漏-源電壓在打開和關(guān)閉過(guò)程中都會(huì)被續(xù)流二極管鉗位。因此，同步整流器幾乎沒有開關(guān)損耗，它的功率消耗很容易計(jì)算。只需要考慮阻性損耗即可。最壞情況下的損耗發(fā)生在同步整流器工作在最大占空比時(shí)，也就是當(dāng)輸入電壓達(dá)到最大時(shí)。利用同步整流器的RDS(ON)HOT和工作占空比，通過(guò)歐姆定律，我們可以近似計(jì)算出它的功率消耗：PDSYNCHRONOUS RECTIFIER= [ILOAD2 × RDS(ON)HOT] × [1 - (VOUT/VINMAX)]開關(guān)MOSFET的功耗開關(guān)MOSFET的阻性損耗計(jì)算和同步整流器非常相似，也要利用它的占空比(不同于前者)和RDS(ON)HOT：PDRESISTIVE= [ILOAD2 × RDS(ON)HOT] × (VOUT/VIN)開關(guān)MOSFET的開關(guān)損耗計(jì)算起來(lái)比較困難，因?yàn)樗蕾囉谠S多難以量化并且通常沒有規(guī)格的因素，這些因素同時(shí)影響到打開和關(guān)閉過(guò)程。我們可以首先用以下粗略的近似公式對(duì)某個(gè)MOSFET進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證：PDSWITCHING= (CRSS× VIN2 × fSW× ILOAD)/IGATE其中CRSS是MOSFET的反向傳輸電容(數(shù)據(jù)資料中的一個(gè)參數(shù))，fSW為開關(guān)頻率，IGATE是MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器在MOSFET處于臨界導(dǎo)通(VGS位于柵極充電曲線的平坦區(qū)域)時(shí)的吸收/流出電流。一旦基于成本因素將選擇范圍縮小到了特定的某一代MOSFET (不同代MOSFET 的成本差別很大)，我們就可以在這一代的器件中找到一個(gè)能夠使功率耗散最小的器件。這個(gè)器件應(yīng)該具有均衡的阻性和開關(guān)損耗。使用更小(更快)的MOSFET所增加的阻性損耗將超過(guò)它在開關(guān)損耗方面的降低，而更大(RDS(ON)更低) 的器件所增加的開關(guān)損耗將超過(guò)它對(duì)于阻性損耗的降低。如果VIN是變化的，需要在VIN(MAX)和VIN(MIN)下分別計(jì)算開關(guān)MOSFET的功率耗散。MOSFET功率耗散的最壞情況可能會(huì)出現(xiàn)在最低或最高輸入電壓下。該耗散功率是兩種因素之和：在VIN(MIN)時(shí)達(dá)到最高的阻性耗散(占空比較高)，以及在VIN(MAX)時(shí)達(dá)到最高的開關(guān)損耗(由于VIN2項(xiàng)的緣故)。一個(gè)好的選擇應(yīng)該在VIN的兩種極端情況下具有大致相同的耗散，并且在整個(gè)VIN范圍內(nèi)保持均衡的阻性和開關(guān)損耗。如果損耗在VIN(MIN)時(shí)明顯高出，則阻性損耗起主導(dǎo)作用。這種情況下，可以考慮用一個(gè)更大一點(diǎn)的開關(guān)MOSFET (或?qū)⒁粋€(gè)以上的多個(gè)管子相并聯(lián))以降低RDS(ON)。但如果在VIN(MAX)時(shí)損耗顯著高出，則應(yīng)該考慮降低開關(guān)MOSFET的尺寸(如果是多管并聯(lián)的話，或者去掉一個(gè)MOSFET)，以便使其開關(guān)速度更快一點(diǎn)。如果阻性和開關(guān)損耗已達(dá)平衡，但總功耗仍然過(guò)高，有多種辦法可以解決：改變問(wèn)題的定義。例如，重新定義輸入電壓范圍。改變開關(guān)頻率以便降低開關(guān)損耗，有可能使用更大一點(diǎn)的、RDS(ON)更低的開關(guān)MOSFET。增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電流，有可能降低開關(guān)損耗。MOSFET自身的內(nèi)部柵極電阻最終限制了柵極驅(qū)動(dòng)電流，實(shí)際上限制了這種方法的有效性。采用一個(gè)改進(jìn)技術(shù)的MOSFET，以便同時(shí)獲得更快的開關(guān)速度、更低的RDS(ON)和更低的柵極電阻。脫離某個(gè)給定的條件對(duì)MOSFET的尺寸作更精細(xì)的調(diào)整是不大可能的，因?yàn)槠骷倪x擇范圍是有限的。選擇的底線是MOSFET在最壞情況下的功耗必須能夠被耗散掉。熱阻下一步是要計(jì)算每個(gè)MOSFET周圍的環(huán)境溫度，在這個(gè)溫度下，MOSFET結(jié)溫將達(dá)到我們的假定值(按照前面圖1所示的迭代過(guò)程，確定合適的MOSFET來(lái)作為同步整流器和開關(guān)MOSFET)。為此，首先需要確定每個(gè)MOSFET結(jié)到環(huán)境的熱阻(ΘJA)。熱阻的估算可能會(huì)比較困難。單一器件在一個(gè)簡(jiǎn)單PCB上的ΘJA測(cè)算相對(duì)容易一些，而要在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)去預(yù)測(cè)實(shí)際電源的熱性能是很困難的，那里有許多熱源在爭(zhēng)奪有限的散熱通道。如果有多個(gè)MOSFET被并聯(lián)使用，其整體熱阻的計(jì)算方法，和計(jì)算兩個(gè)以上并聯(lián)電阻的等效電阻一樣。我們可以從MOSFET的ΘJA規(guī)格開始。對(duì)于單一管芯、8引腳封裝的MOSFET來(lái)講，ΘJA通常接近于62°C/W。其他類型的封裝，有些帶有散熱片或裸露的導(dǎo)熱片，其熱阻一般會(huì)在40°C/W至50°C/W (表1)。表1. MOSFET封裝的典型熱阻可以用下面的公式計(jì)算MOSFET的管芯相對(duì)于環(huán)境的溫升：TJ(RISE)= PDDEVICE TOTAL× ΘJA接下來(lái)，計(jì)算導(dǎo)致管芯達(dá)到預(yù)定TJ(HOT)時(shí)的環(huán)境溫度：TAMBIENT= TJ(HOT)- TJ(RISE)如果計(jì)算出的TAMBIENT低于機(jī)殼的最大額定環(huán)境溫度(意味著機(jī)殼的最大額定環(huán)境溫度將導(dǎo)致MOSFET的預(yù)定TJ(HOT)被突破)，必須采用下列一條或更多措施：升高預(yù)定的TJ(HOT)，但不要超出數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定的最大值。選擇更合適的MOSFET以降低MOSFET的功耗。通過(guò)增加氣流或MOSFET周圍的銅膜降低ΘJA。重算TAMBIENT(采用速算表可以簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)方可選出一個(gè)可接受的設(shè)計(jì))。另一方面，如果計(jì)算出的TAMBIENT高出機(jī)殼的最大額定環(huán)境溫度很多，可以采取下述可選步驟中的任何一條或全部：降低預(yù)定的TJ(HOT)。減小專用于MOSFET散熱的覆銅面積。采用更廉價(jià)的MOSFET。最后這幾個(gè)步驟是可選的，因?yàn)樵诖饲闆r下MOSFET不會(huì)因過(guò)熱而損壞。不過(guò)，通過(guò)這些步驟，只要保證TAMBIENT高出機(jī)殼最高溫度一定裕量，我們可以降低線路板面積和成本。上述計(jì)算過(guò)程中最大的誤差源來(lái)自于ΘJA。你應(yīng)該仔細(xì)閱讀數(shù)據(jù)資料中有關(guān)ΘJA規(guī)格的所有注釋。一般規(guī)范都假定器件安裝在1in2的2oz銅膜上。銅膜耗散了大部分的功率，不同數(shù)量的銅膜ΘJA差別很大。例如，帶有1in2銅膜的D-Pak封裝ΘJA會(huì)達(dá)到50°C/W。但是如果只將銅膜鋪設(shè)在引腳的下面，ΘJA將高出兩倍(表1)。如果將多個(gè)MOSFET并聯(lián)使用，ΘJA主要取決于它們所安裝的銅膜面積。兩個(gè)器件的等效ΘJA可以是單個(gè)器件的一半，但必須同時(shí)加倍銅膜面積。也就是說(shuō)，增加一個(gè)并聯(lián)的MOSFET而不增加銅膜的話，可以使RDS(ON)減半但不會(huì)改變?chǔ)↗A很多。最后，ΘJA規(guī)范通常都假定沒有任何其它器件向銅膜的散熱區(qū)傳遞熱量。但在高電流情況下，功率通路上的每個(gè)元件，甚至是PCB引線都會(huì)產(chǎn)生熱量。為了避免MOSFET過(guò)熱，需仔細(xì)估算實(shí)際情況下的ΘJA，并采取下列措施：仔細(xì)研究選定MOSFET現(xiàn)有的熱性能方面的信息。考察是否有足夠的空間，以便設(shè)置更多的銅膜、散熱器和其它器件。確定是否有可能增加氣流。觀察一下在假定的散熱路徑上，是否有其它顯著散熱的器件。估計(jì)一下來(lái)自周圍元件或空間的過(guò)剩熱量或冷量。設(shè)計(jì)實(shí)例圖3所示的CPU核電源提供1.5V/60A輸出。兩個(gè)工作于300kHz的相同的30A功率級(jí)總共提供60A輸出電流。MAX1544 IC驅(qū)動(dòng)兩級(jí)電路，采用180°錯(cuò)相工作方式。該電源的輸入范圍7V至24V，機(jī)殼的最大額定環(huán)境溫度為+60°C。圖3. 該降壓型開關(guān)調(diào)節(jié)器中的MOSFET經(jīng)由本文所述的迭代過(guò)程選出。板級(jí)設(shè)計(jì)者通常采用該類型的開關(guān)調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)今天的高性能CPU。同步整流器由兩片并聯(lián)的IRF6603 MOSFET組成，組合器件的最大RDS(ON)在室溫下為2.75mΩ，在+125°C (預(yù)定的TJ(HOT))下近似為4.13mΩ。在最大占空比94%，30A負(fù)載電流，以及4.13mΩ最大RDS(ON)時(shí)，這些并聯(lián)MOSFET的功耗大約為3.5W。提供2in2銅膜來(lái)耗散這些功率，總體ΘJA大約為18°C/W，該熱阻值取自MOSFET的數(shù)據(jù)資料。組合MOSFET的溫升將接近于+63°C，因此該設(shè)計(jì)應(yīng)該能夠工作在最高+60°C的環(huán)境溫度下。開關(guān)MOSFET由兩只IRF6604 MOSFET并聯(lián)組成，組合器件的最大RDS(ON)在室溫下為6.5mΩ，在+125°C (預(yù)定的TJ(HOT))下近似為9.75mΩ。組合后的CRSS為380pF。MAX1544的1Ω高邊柵極驅(qū)動(dòng)器可提供將近1.6A的驅(qū)動(dòng)。VIN= 7V時(shí)，阻性損耗為1.63W，而開關(guān)損耗近似為0.105W。輸入為VIN= 24V時(shí)，阻性損耗為0.475W 而開關(guān)損耗近似為1.23W。總損耗在各輸入工作點(diǎn)大致相等，最壞情況(最低VIN)下的總損耗為1.74W。28°C/W的ΘJA將產(chǎn)生+46°C的溫升，允許工作于最高+80°C的環(huán)境溫度。若環(huán)境溫度高于封裝的最大規(guī)定溫度，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮減小用于MOSFET的覆銅面積，盡管該步驟不是必須的。本例中的覆銅面積只單獨(dú)考慮了MOSFET的需求。如果還有其它器件向這個(gè)區(qū)域散熱的話，可能還需要更多的覆銅面積。如果沒有足夠的空間增加覆銅，則可以降低總功耗，傳遞熱量到低耗散區(qū)，或者采用主動(dòng)的辦法將熱量移走。總結(jié)熱管理是大功率便攜式設(shè)計(jì)中難度較大的領(lǐng)域之一。這種難度迫使我們有必要采用上述迭代過(guò)程。盡管該過(guò)程能夠引領(lǐng)板級(jí)設(shè)計(jì)者靠近最終設(shè)計(jì)，但是還必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)最終確定設(shè)計(jì)流程是否足夠精確。計(jì)算MOSFET的熱性能，為它們提供足夠的耗散途徑，然后在實(shí)驗(yàn)室中檢驗(yàn)這些計(jì)算，這樣有助于獲得一個(gè)健壯的熱設(shè)計(jì)。
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