使用微芯片現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列和片上系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)編碼器應(yīng)用

旋轉(zhuǎn)編碼器工作原理

旋轉(zhuǎn)編碼器用于精確測(cè)量電動(dòng)機(jī)的角度位置，以實(shí)現(xiàn)精確控制。這些編碼器通常安裝在電動(dòng)機(jī)的軸上：

安裝在電機(jī)軸上會(huì)帶來明顯的系統(tǒng)限制：

中間有安裝孔的甜甜圈形印刷電路板 （PCB） →空間限制

電機(jī)的導(dǎo)熱系數(shù)→電子設(shè)備的高工作溫度

電子設(shè)備的高溫→可靠性和電子設(shè)備的使用壽命縮短

這些限制歸結(jié)為對(duì)可靠組件的要求，這些組件具有很少的自發(fā)熱和較小的物理足跡。由于這些編碼器通常以非常高的產(chǎn)量制造，因此冷卻和PCB制造的系統(tǒng)成本是重要的設(shè)計(jì)因素。這些系統(tǒng)中通常涉及的另一個(gè)設(shè)計(jì)因素是功能安全，以可靠地了解測(cè)量值是否有效，或者系統(tǒng)是否需要進(jìn)入安全狀態(tài)，即停止。

這些甜甜圈形 PCB 的典型直徑低至 35 毫米， 這將所選組件的物理尺寸限制在大約 10 × 10mm2 或更小.編碼器板直接受到電機(jī)產(chǎn)生的熱量的影響，在工作條件下可以達(dá)到95°C的溫度，在使用壽命的一定時(shí)間內(nèi)甚至可以達(dá)到105°C。 在這些溫度下，由于漏電流引起的電子產(chǎn)品自發(fā)熱已經(jīng)很強(qiáng)烈——一些半導(dǎo)體甚至可能遭受熱失控。

采用FCSG2封裝的智能融合158 SoC

Microchip為這些應(yīng)用設(shè)計(jì)了一款特定的器件：采用FCSG2封裝的SmartFusion158 SoC。該器件采用 Arm M3 微控制器，附加了大約 25.000 個(gè)邏輯元件的 FPGA 結(jié)構(gòu)和 9 × 9mm2 的優(yōu)化器件封裝。該器件針對(duì)這些惡劣的工作條件和設(shè)計(jì)限制進(jìn)行了高度優(yōu)化。

布線優(yōu)化的封裝允許在PCB上僅有兩個(gè)信號(hào)層的情況下完全分離封裝，從而保持PCB簡(jiǎn)單和低電平。封裝球柵中的自由空間允許為內(nèi)環(huán)放置經(jīng)濟(jì)高效的0.3 mm過孔，并將去耦電容直接放置在封裝下方，靠近封裝中間的電源引腳：

這款 SmartFusion2 器件提供 82 個(gè) I/O，其中 70 個(gè)能夠連接到 3.3V，12 個(gè)可以本地連接到 2.5V 或通過電阻分壓器連接到 3.3V。此外，對(duì)于需要高速通信的情況，可以使用一個(gè)收發(fā)器對(duì)，其運(yùn)行速度高達(dá) 5 Gbps 并支持 PCIe Gen2。片上 Arm M3 微控制器也可用于典型的內(nèi)務(wù)管理和通信目的。

由于 SmartFusion2 的功耗優(yōu)化架構(gòu)及其產(chǎn)生的小自發(fā)熱，該器件可以在接近最大指定溫度范圍 （100°C/125°C） 的環(huán)境溫度下運(yùn)行。為了準(zhǔn)確估計(jì)器件的功耗和自發(fā)熱，建議將微芯片功耗估算器用于SmartFusion2 SoC和Igloo2 FPGA或PolarFire FPGA和SoC。

如上所述，編碼器數(shù)據(jù)通常是安全關(guān)鍵型的，要求FPGA設(shè)計(jì)也必須獲得安全認(rèn)證或具有混合的關(guān)鍵級(jí)別。Microchip通過SmartFusion2 / Igloo2安全包（鏈接在這里）支持此類安全認(rèn)證。SmartFusion2 和 Igloo2 設(shè)備已通過 IEC 61508 功能安全認(rèn)證，基于使用驗(yàn)證。相應(yīng)的安全包包含安全認(rèn)證的開發(fā)環(huán)境Libero SoC 18.3 SP4，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)中經(jīng)常需要的28個(gè)IP核，這些設(shè)備和實(shí)用程序的安全手冊(cè)，用于計(jì)算硬件故障概率。

由于Microchip FPGA和SoC不受配置存儲(chǔ)器上的單事件翻轉(zhuǎn)（SEU）的影響，因此永久性硬件故障是安全討論所需的FIT計(jì)算的唯一因素。FIT 代表 failure in time，1 FIT 等于 109 小時(shí)內(nèi)的一次故障。對(duì)于典型的基于SRAM的FPGA，SEU引起的軟FIT取決于所選器件的確切架構(gòu)和復(fù)雜性，通常在約400 FIT的范圍內(nèi)?？紤]到安全相關(guān)功能通常只占用FPGA結(jié)構(gòu)的一小部分。在此軟 FIT 之上，還添加了永久性故障。

永久性故障的FIT率來自供應(yīng)商在增加器件應(yīng)力水平時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)，以加速主要導(dǎo)致器件故障的老化效應(yīng)。這些測(cè)量結(jié)果是基于阿倫尼烏斯關(guān)系計(jì)算所需操作條件下硬件故障率的基礎(chǔ)

其中 A.F = 加速度系數(shù)。

該計(jì)算的可視化結(jié)果為：

在計(jì)算完整的FPGA時(shí)，在>90°C的環(huán)境溫度下，旋轉(zhuǎn)編碼器通常具有的工作條件，由此產(chǎn)生的FIT率可以達(dá)到100 FIT左右的故障率。對(duì)于功能安全的設(shè)計(jì)，這顯然太多了。

換句話說，要么需要保持較低的器件溫度，要么為了安全計(jì)算，保持相關(guān)功能的尺寸較小。

Microchip安全包包含適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)和實(shí)用程序，以確定整體設(shè)計(jì)中安全相關(guān)部分的FIT率，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)認(rèn)證。

審核編輯：郭婷