Model3工業(yè)級(jí)HMI芯片詳解系列專題（三）：安全、穩(wěn)定、高防護(hù)

芯片作為電子設(shè)備的核心部件，，根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域被分為不同等級(jí)。工業(yè)級(jí)芯片適用于工業(yè)自動(dòng)化、控制系統(tǒng)和儀器儀表等領(lǐng)域，對(duì)芯片的安全、穩(wěn)定、防護(hù)能力等等有著較高的要求。這些芯片往往需要具備更寬的工業(yè)溫度范圍，能夠在更惡劣的工作環(huán)境下運(yùn)行。

因此，本文將從靜電可靠性、EPWM控制、電阻觸摸屏三個(gè)方面入手，對(duì)Model3芯片進(jìn)行詳細(xì)的介紹，以便大家對(duì)Model3的安全性、穩(wěn)定性有著更為清晰的認(rèn)識(shí)。

高達(dá)8KV的ESD HBM防護(hù)：工業(yè)級(jí)ESD天花板

Model3芯片的ESD設(shè)計(jì)從整個(gè)芯片防護(hù)及可能發(fā)生的ESD情形考慮：

• 每個(gè)I/O電路中設(shè)計(jì)相應(yīng)的ESD保護(hù)電路包含二極管、MOS管、靜電泄放器的組合；
• 在發(fā)生ESD時(shí)能提供電源到地直接低阻抗電流泄放通道；
• 在合適的位置增加芯片電源和地引腳數(shù)量，有效增強(qiáng)抗ESD能力；
• 嚴(yán)格把控版圖設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)ESD薄弱環(huán)節(jié)。

靜電可靠性的相關(guān)驗(yàn)證項(xiàng)目，主要包含HBM、CDM、LU。其中，ESD和CDM是面向半導(dǎo)體器件的靜電放電測(cè)試模型，在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)選型時(shí)，應(yīng)盡量選擇ESD耐壓等級(jí)高的原器件。

如表1所示為JEDEC和AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)半導(dǎo)體器件HBM的靜電抗擾度等級(jí)劃分，表2所示為針對(duì)CDM的靜電抗擾度等級(jí)劃分。而AEC-Q100通常要求HBM通過級(jí)別為±2000V；CDM通過級(jí)別為±500V，角引腳±750V。

Model3芯片靜電可靠性項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果如表3所示，其測(cè)試結(jié)果表現(xiàn)突出，遠(yuǎn)超行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。在HBM項(xiàng)目上通過±4kV Class-3A級(jí)別，超出AEC-Q100要求的±2kV Class-2級(jí)別；在CDM項(xiàng)目上至少通過±750V C2b級(jí)別，超出AEC-Q100要求的±500V C2a級(jí)別。

高精度EPWM控制：滿足復(fù)雜機(jī)電控制

Model3芯片支持高精度電子脈寬調(diào)制（EPWM）控制，這確保了復(fù)雜電機(jī)控制和精細(xì)過程控制的需要得以滿足，從而使得Model3在控制應(yīng)用中更加精準(zhǔn)。

相比于傳統(tǒng)的PWM技術(shù)，Model3芯片增加了計(jì)數(shù)比較模塊。PWM的硬件設(shè)計(jì)，使用時(shí)基計(jì)數(shù)器產(chǎn)生鋸齒波信號(hào)，使用一個(gè)比較器可同時(shí)產(chǎn)生兩路PWM信號(hào)。 PWM模塊的硬件原理圖可簡(jiǎn)化如下：

PWM模塊支持的功能特性有：

• 每個(gè)PWM通道可以產(chǎn)生兩個(gè)PWM輸出信號(hào): PWMx0和 PWMx1，可遵循如下配置
• 兩個(gè)獨(dú)立的單邊輸出
• 兩個(gè)獨(dú)立的雙邊對(duì)稱輸出
• 一個(gè)獨(dú)立的雙邊非對(duì)稱輸出
• 專用的16位可配置周期和頻率的時(shí)基計(jì)數(shù)器（Time Base Counter）
• 系統(tǒng)時(shí)鐘100MHz
• 多種事件可配置產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的中斷

通過計(jì)數(shù)比較模塊，EPWM在處理PWM信號(hào)時(shí)能夠有效地防止在PWM周期內(nèi)出現(xiàn)故障以及毛刺，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。EPWM能夠更加精確地控制PWM的占空比和頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)或其他負(fù)載的更精細(xì)控制。

內(nèi)置4線電阻觸摸屏驅(qū)動(dòng)：降低外圍BOM成本

Model3芯片將觸摸屏驅(qū)動(dòng)集成到芯片內(nèi)部，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和硬件布局，簡(jiǎn)化對(duì)外部原件和接口的需求，降低了外圍BOM成本；同時(shí)因?yàn)闇p少了外部干擾和噪聲，觸摸屏的性能也更加穩(wěn)定。

RTP模塊特性：

• 支持4線RTP，即X+、X-、Y+、Y-
• 支持壓力感應(yīng)
• 支持最多2點(diǎn)觸摸
• 支持采樣濾波，濾波參數(shù)可配置
• 支持觸摸檢測(cè)中斷
• FIFO深度16

RTP需要依賴ADCIM模塊（統(tǒng)一管理硬件通路和處理信號(hào)校準(zhǔn)），其關(guān)系如圖：

對(duì)于一次RTP的點(diǎn)擊動(dòng)作，會(huì)有4個(gè)相關(guān)的采樣點(diǎn)，這些采樣點(diǎn)的選擇和控制方式可以有不同的組合，分為兩大類采樣模式：

手動(dòng)模式

手動(dòng)去配置硬件4個(gè)采樣點(diǎn)的電路信號(hào)，來組合得到XN、YN、ZA、ZB等采樣數(shù)據(jù)。

自動(dòng)模式

自動(dòng)模式意味著硬件自動(dòng)配置電路，直接輸出XN、YN、ZA、ZB等采樣結(jié)果。 在自動(dòng)模式中，根據(jù)采樣數(shù)據(jù)是否連續(xù)進(jìn)行又分為：

• Period sample：周期采樣，硬件會(huì)按照配置的周期自動(dòng)采集和上報(bào)數(shù)據(jù)
• Single sample：為避免和“單個(gè)采樣點(diǎn)”混淆，稱作非周期采樣，由軟件觸發(fā)完成一次采樣

總結(jié)

1. Model3芯片具備高達(dá)8KV的ESD HBM防護(hù)，在惡劣的工業(yè)環(huán)境中能夠抵抗各種電磁干擾，提升系統(tǒng)可靠性；
2. Model3芯片支持高精度電子脈寬調(diào)制（EPWM）控制，能夠滿足復(fù)雜電機(jī)控制和精細(xì)過程控制的需要，在控制應(yīng)用中更加精準(zhǔn)；
3. Model3芯片內(nèi)置4線電阻觸摸屏驅(qū)動(dòng)，為用戶提供便捷的交互途徑，降低了外圍BOM成本。