TLE7810特有的SBC低功耗设计方法

摘要: 低功耗要求是嵌入式系统设计中普遍提出的要求，对提高系统的可靠性与稳定性有着重要意义。首先分析了单片机功耗的主要来源，然后研究了Infineon TLE7810单片机的低功耗设计方案，最后以电动车窗控制器为例介绍了TLE7810低功耗设计方案的具体应用。

关键词: 低功耗；TLE7810；单片机；嵌入式系统；系统基础芯片

Low?Power  Design Based on TLE7810 SBC
Wu Zhihong, Zhu Miao, Zhu Yuan
(Infineon?Tongji Microcontroller and Embedded Systems Lab, Sino?German College of Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract： Low?power requirements are common for embedded system design  and are of  significance to  system reliability and stability. The main source of  microcontroller power consumption is   analyzed, then  the low?power design of Infineon TLE7810 is studied , and finally  power window lift is introduced as its specific application.
Key words: low?power；TLE7810；microcontroller；embedded system；system basis chip

引言

　　近几年来，随着电子技术、信息技术的发展和数字化产品的普及，嵌入式系统被广泛应用到汽车工业、网络、手持通信设备、国防军事、消费电子和自动化控制等各个领域[1]。同时，嵌入式系统设计中的功耗问题也正受到普遍的关注。嵌入式系统一般是由电池来供电的，系统采用低功耗设计，不仅能够延长电池的寿命，而且可以降低系统的热耗，对提高可靠性与稳定性有着重要意义。在这种应用背景下，Infineon、Freescale、Atmel、TI等知名单片机生产厂家纷纷推出功能强大的低功耗单片机。

1  单片机功耗的来源

　　单片机是一种集成度较高的芯片。通常，集成电路的功耗分为静态功耗和动态功耗2部分。静态是指“0”和“1”的恒定状态，当电路没有状态翻转时产生的功耗为静态功耗；动态是指“0”和“1“的跳变状态，当电路状态翻转时产生的功耗为动态功耗[2]。

　　目前绝大多数的单片机都采用CMOS工艺。CMOS电路为电压控制型，一般情况下静态功耗极小。它的动态功耗由瞬时导通功耗和电容充放电功耗2部分组成[2]。在单片机运行时，开关电路不断地由“1”变“0”，由“0”变“1”，内部电容不停地充放电，要实现开关电路快速关断和电容的快速充放电，需要比较大的动态电流[3]。因此CMOS的动态功耗要远大于静态功耗，是单片机功耗的主要来源。动态功耗主要受工作频率和工作电压的影响。

　　通过对单片机功耗来源的分析，可得出结论：要降低单片机系统的功耗，可以采取降低工作频率、降低工作电压和尽可能使电路处于静态的方法。事实上，现有的低功耗单片机也都提供了灵活的时钟方案、电源管理方案，以及低功耗工作模式，在硬件上为降低工作频率、降低工作电压和使电路处于静态工作状态提供了可能。

2  TLE7810简介

　　TLE7810是Infineon公司推出的一款高集成度低成本智能功率芯片，主要应用于汽车工业。其功能模块图如图1所示。它集成了1个支持片上调试功能并且与标准8051单片机兼容的8位微控制器XC866，以及1个SBC（System Basis Chip，系统基础芯片）。这样的结构设计可以满足汽车工业尽乎苛刻的应用条件。同其他厂家的微控制器类似，Infineon XC866也提供了灵活的时钟方案、电源管理方案和低功耗工作模式，本文对这些功能就不再多做介绍，而是着重介绍TLE7810特有的SBC的低功耗设计方案。

图1  TLE7810功能模块图[4]

　　从图1中可以看出，SBC配备1个LIN收发器、1个低压差电压调节器、2个用于驱动继电器的低边开关、1个用于驱动LED的高边开关、1个霍尔传感器电源、5个唤醒输入，以及1个标准的16位SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）接口等。通过SPI接口，XC866可以发送1个16位的命令来控制SBC的运行， SBC同时向XC866回复1个16位的数据，指示SBC当前的运行状态。

3  SBC的低功耗设计方案

3.1  SBC集成的外设

　　SBC不仅将多个外设集成到1个芯片内部，而且可以通过SPI接口控制这些外设的打开与关闭，根据实际应用情况，可以灵活地控制这些外设，以达到降低功耗的目的。

① LIN收发器。可以通过SPI命令将SBC的工作模式设置成“LIN Sleep”模式。在这个工作模式下，LIN收发器的内部上拉电阻被关掉，以此来禁用LIN收发器，这样就能够减小一部分电流消耗。禁用的LIN收发器可以随时通过主节点或其他从节点的LIN消息来激活。
② 低压差电压调节器。可以通过SPI命令将SBC的工作模式设置成“Sleep”模式。在这个工作模式下，该电压调节器被关闭，以停止对微控制器供电，从而使系统进入休眠状态，将功耗降到最小。
③ 高边开关。高边开关可以直接驱动LED。在不需要使用LED的场合，可以直接通过SPI命令将该开关关闭。
④ 霍尔传感器电源。该电源可以直接为霍尔传感器供电，驱动霍尔传感器正常工作，也可以为其他一些设备，比如运算放大器供电。在不需要使用霍尔传感器的场合，可以直接通过SPI命令将该电源关闭。

3.2  SBC的省电模式与唤醒测试

　　SBC可以在多个工作模式下工作，根据实际应用情况，可以灵活地进行工作状态的切换。SBC提供了2种省电模式，“Sleep”模式和“Stop”模式。工作在这2种模式下，可以极大地降低系统的功耗。

3.2.1  SBC Sleep Mode

　　可以通过直接修改SPI命令来进入该工作模式。在这个工作模式下，LIN收发器以及所有的内部开关都被关闭，同时内部的电压调节器也被关闭，以停止对微控制供电。通过这种方式可以将系统的功耗降到最小。可以通过5个唤醒输入引脚上的电平跳变或者LIN消息来退出该模式，将系统唤醒。被唤醒后，内部的电压调节器将自动激活，微控制器将产生1个复位信号，将系统复位。图2为“Sleep”模式的测试波形。其中，曲线1为唤醒输入引脚MON4的波形，曲线2为复位引脚RESET的波形。在“Sleep”模式下，MON4引脚的输入为12 V高电平，RESET引脚输出0 V低电平。当MON4引脚的电平发生跳变，由高电平变为低电平后，RESET引脚产生1个5 V高电平的复位信号，将系统唤醒并复位。从图中可以看出这段唤醒时间持续约9.5 ms。根据进一步的测量，在该模式下，系统的静态电流约为9 mA。

图2  SBC Sleep Mode 测试波形

3.2.2  SBC Stop Mode

　　需要先将XC866的工作模式设置成省电模式，再修改SPI命令才能进入该工作模式。在这个工作模式下，LIN收发器以及所有的内部开关也都被关闭，但是并不关闭电压调节器，而是用微弱的静态电流对微控制器供电，微控制器同时停止执行指令。可以通过5个唤醒输入引脚上的电平跳变或者LIN消息来退出该模式。图3为“Stop”模式的测试波形。其中，曲线1为唤醒输入引脚MON4的波形，曲线2为输出引脚P0.5的波形。在“Stop”模式下，MON4引脚的输入为12 V高电平，P0.5引脚输出0 V低电平，当MON4引脚的电平发生跳变，由高电平变为低电平后，将系统唤醒，然后马上让P0.5引脚输出5 V高电平。从图中可以看出这段唤醒时间持续约265 μs。根据进一步的测量，在该模式下，系统的静态电流约为30 mA。与“Sleep”模式相比较，该模式不仅能够极大地降低系统功耗，同时因为没有关闭微控制器，能够更快地将系统唤醒，而且唤醒后不产生复位信号，直接从停止的指令位置继续执行。

图3  SBC Stop Mode 测试波形

4  TLE7810低功耗方案的应用

　　TLE7810的一个具体应用是电动车窗控制器。基于TLE7810的电动车窗控制器的硬件结构框图如图4所示。其中，高边开关（MON5引脚）为按键背光灯供电，霍尔传感器电源（Supply引脚）同时为霍尔传感器和运算放大器供电。

图4  电动车窗控制器硬件结构框图

　　MON5引脚与Supply引脚的输出电平由SPI命令直接控制。当控制车窗升降的4个按键（MON1~MON4）未按下时，通过SPI命令控制MON5引脚输出低电平，按键背光灯灭；当有按键按下时，通过SPI命令控制MON5引脚输出高电平，按键背光灯亮。当电机处于停止状态时，通过SPI命令控制Supply引脚输出低电平，关闭对霍尔传感器与运算放大器的供电。霍尔传感器是在电机运转时测量电机的转速与转向的，运算放大器用来对电机电流进行采样放大，因此在电机处于停止状态时这两个外设都没必要工作，关闭对它们的供电在一定程度上可以降低功耗。
当后门侧车窗在没有收到任何由后车门按键发出的控制命令，也没有收到任何由司机侧车门通过LIN总线发出的命令时，可在延时一段时间后，直接通过SPI命令让系统进入“Sleep”模式。车窗控制器在正常工作模式下，系统电流约150 mA，而在该模式下，TLE7810内部的电源模块停止对所有负载供电，系统电流仅为9 mA，将控制器的功耗降到最小。休眠后，若司机侧或者后门侧按键重新发出命令，可将唤醒系统，进入正常工作状态。

5  总结

　　本文分析了单片机功耗的来源，以Infineon TLE7810单片机为例，研究了TLE7810特有的SBC的低功耗设计方案，并结合具体电动车窗控制器的例子，简单阐述了TLE7810低功耗设计方案的实际应用。在复杂的实际应用中，还需要综合考虑系统硬件设计相应的软件，结合具体的应用场合，选择合适的低功耗设计方案，以达到降低系统功耗的目的。