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系统基础芯片的典型工作状态及唤醒方式干货分析

系统基础芯片的典型工作状态及唤醒方式干货分析

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本文作者:杨洪程

系统基础芯片内部有多个功能模块。为方便管理这些功能模块,依据实际使用的需求,一般提供以下典型工作状态(除此之外各个厂家也会定义一些特定的状态或模式,比如启动状态,复位状态)。


系统基础芯片的典型工作状态及特点

  • 正常工作状态,芯片内部所有模块都能正常工作,一般用于系统正常工作状态下

停止/待机状态,芯片内部部分模块停止工作(比如看门狗关闭),达到一定的低功耗效果,一般用于系统待机模式;

  • 休眠状态,芯片内部只有部分模块还在工作(比如唤醒模块),达到最低功耗效果,一般用于系统休眠模式;

  • 安全保护状态,芯片内部只有部分模块还在工作,比如失效信号输出模块,可以输出失效信号用于激活系统中其他安全保护模块进入特定安全状态,一般用于系统安全保护机制;

  • 开发者/编程模式,看门狗被关闭,其他状态可以正常进入,一般用于系统下线编程或者系统调试。


可以使用SPI通信,外部电路配置或者唤醒功能等方式进行状态设置及切换,外部电路配置比较单一,这里不做具体描述,具体配置可以参考具体芯片手册。SPI通信比较灵活,但需要软件控制。为了做到软件兼容性,英飞凌的系统基础芯片都拥有相似的状态图(如下图-TLE9263状态图所示)。从状态图中,可以看到除了上文已提及的四种状态,还有初始化状态和复位状态。这两种状态都是中间态,系统不会一直停在这些状态中。

另外状态图中可以清晰地看到状态间相互转换的条件,以及每个状态下芯片内部各个模块的工作状态: 正常工作(ON),关闭(OFF),工作状态不可变(Fixed),工作状态可变(Config),状态可变表示可以使用SPI通信对模块进行配置。

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系统基础芯片的唤醒方式

对于系统基础芯片工作状态的控制,除了上文提到的外部电路配置和SPI通信,还需要注意唤醒功能的配置及处理。唤醒功能典型应用于芯片休眠状态的退出,当然也可应用于正常工作状态及停止待机状态中,比如英飞凌的系统基础芯片在正常工作状态,停止待机工作状态,休眠状态和安全保护状态下都提供唤醒功能,只是唤醒功能所产生的唤醒事件取决于芯片当前的工作状态。如果芯片处于正常工作状态或者停止待机状态下唤醒事件就是芯片输出中断信号。如果芯片处于休眠状态或者安全保护状态下唤醒事件就是复位信号(芯片自身也会重启进入正常工作状态)。


基于不同系统的要求,一般系统基础芯片提供以下唤醒功能,当然不是每个芯片都会支持下方所有唤醒方式。

  • WK引脚唤醒,常用于钥匙信号唤醒,芯片监测WK引脚上的电平信号或者边沿信号来决定是否触发唤醒事件,比如TLE9263拥有三个WK引脚,WK上的边沿信号(上升沿或者下降沿)触发唤醒事件。

  • 循环检测唤醒,常用于外部开关按键唤醒,利用芯片内部高边驱动给开关供电的同时WK引脚检测开关信号的变化,此功能优势在于高边驱动和WK引脚检测都是周期性工作,以达到更低功耗。以TLE9263为例,具体拓扑可以参考如下框图,工作时序也可见下方,其中高边周期性(周期可配)打开一段时间(时间可配),WK会在高边关闭前一段时间做检测,当前后两次检测的电平不一致后产生唤醒事件。

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  • 周期唤醒,此功能易于理解,系统可以设置芯片内部定时器决定何时自动产生唤醒事件。

LIN总线唤醒,由LIN标准要求规定如下,需要一个大于150us的显性电平去触发这个功能,所以系统基础芯片的LIN唤醒的要求是显性电平时间最大是150us

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  • CAN总线唤醒,同样由CAN标准规定,但是由于CAN标准一直在更新比如目前的CAN FD,导致不同厂家或者同一个厂家的不同产品会有不同的CAN唤醒功能,从功能上讲有三种唤醒方式:

       ?  基础唤醒(basic wake up),一个显性电平(时间超过tFilter)即可触发唤醒事件,此方式使用已经不多,很多芯片也不再支持,这里不做具体描述。

       ?  时序唤醒(wake up pattern),具体唤醒的时序标准中有定义如下,两个显性电平(时间超过tFilter)并且两个显性电平之间有一个隐性电平(时间超过tFilter),关于tFilter最新的ISO11898-2 2016中有两个选项分别是0.5us~5us和0.15us~1.8us, 为了满足不同车厂的选择,英飞凌有三个家族产品(除了开关电源型家族)都做到了tFilter=0.5us~1.8us。


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       ?  选择性唤醒(selective wake up),由于上面两种唤醒方式会导致只要CAN总线上有报文,总线上的所有节点都会被唤醒,无法满足最新的CAN局部网络工作(CAN partial networking)需求,所以选择性唤醒应运而生,此功能主要组成部分是可选帧唤醒,意味着满足下面四个条件的CAN帧才能产生唤醒事件。

       ?  是没有错误的经典CAN帧(classical frame)

       ?  CAN ID和芯片配置的目标一致

       ?  CAN帧中数据长度位(DLC)的值和芯片配置值一样

       ?  如果芯片配置的数据长度位不是0,那么还会需要CAN帧中至少有一位数据位和对应的芯片配置数据位都是1

作为可选帧唤醒补充,选择性唤醒还有以下功能

       ?  当CAN总线长时不工作时(bus timeout),芯片会关闭总线上的偏置电压(2.5V),需要先时序唤醒,芯片打开偏置电压后才能进入可选帧唤醒模式

       ?  当总线上的经典CAN帧有错误,并且错误数量超过一定阀值时,也会产生CAN唤醒

       ?  兼容CAN高速帧(CAN FD),高速帧会被芯片忽视,并不会产生CAN唤醒

当然这些CAN唤醒方式一般在芯片中也是可配的,比如下方TLE9263的CAN模式图,绿色框内就是TLE9263的CAN局部网络工作模式,位于框内下面的是三条唤醒路径:可选帧唤醒路径(红色),错误帧溢出唤醒路径(蓝色)和由于配置错误芯片强制切换成时序唤醒路径(紫色),在绿框的左边是单纯的时序唤醒模式

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设计中系统基础芯片的注意事项

前面介绍了系统基础芯片的典型工作模式及唤醒方式做了介绍,相信大家已经对如何匹配系统及在系统中如何使用系统基础芯片有了一定的了解,另外以下几点在设计及使用中需要考虑:

     ? 系统芯片基础芯片的稳定工作温度是否合适,一般可以根据负载和热阻计算或者利用厂家提供的工具,比如英飞凌提供了图形界面工具,方便读者评估芯片温升。

     ? DCDC电源的闭环稳定性,同样的芯片,不同的读者或者不同的设计可能选择不一样的DCDC电源外部器件,所以需要评估DCDC的稳定性,一般厂家给出建议值或者计算工具,英飞凌同样提供了图形化界面,方便读者使用

     ? 对于一些没有把握的功能或者匹配项目,可以申请具体样片或者评估板进行实际评估,比如英飞凌提供完整的评估板及调试软件(软件有图形界面版本和编写脚本版本两种),方便读者进行快速全面评估。

     ? 芯片手册外的文档研读,比如应用手册或者勘误表,这些可以帮助读者避免一些设计问题。

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本文通过讲解系统基础芯片的典型工作状态及特点唤醒方式、系统设计的注意事项,介绍了系统基础芯片的功能,希望在进行系统设计时对您有所借鉴和帮助。

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