英飛凌驅動器系統(tǒng)給微控制器子系統(tǒng)帶來挑戰(zhàn)

推進權力的限度

小型化是推動微控制器到更小的封裝，提高了性能。作為控制器核變小采用先進的硅制造工藝，有更多的機會增加外圍設備和降低設備的尺寸。與此同時，從更高的性能，附加外圍設備和增加的漏電流功率消耗增加，帶動熱要求。

所有這一切造成時鐘速度，電壓和包裝技術的一個很好的平衡以提供最佳的性能在小型化的系統(tǒng)的微控制器。管理在微控制器的功率是在維持溫度包絡線之內(nèi)的系統(tǒng)，而不必使用主動冷卻，例如風扇，以減少在嵌入式系統(tǒng)中的可靠性的一個關鍵因素。

而被動冷卻如熱管可以用來輸送熱量從散熱片到冷卻散熱片，這增加了系統(tǒng)的尺寸和否定的處理的小型化。因此，在控制器的電力的管理和處理是在整個系統(tǒng)的小型化的一個關鍵因素。

控制器成為越小，越焦點是在包裝和系統(tǒng)的熱特性。移動到一個芯片級封裝允許新的熱管理技術，可用于諸如熱涂料。這是由作為硅管芯往往做得更薄，以減少漏電流和電容更必要的，但此降低了熱貯存器可用的和可能使模具更容易與熱失衡開裂。

在美國的ARPA研究機構有一個熱管理技術（TMT）計劃，正在探索和優(yōu)化納米材料，使他們能夠在熱管理系統(tǒng)中使用。它正在熱接地平面（TGP）技術與使用熱管的兩相冷卻，以取代傳統(tǒng)系統(tǒng)中的銅合金吊架，以提高冷卻，而無需改變該系統(tǒng)的設計的高性能散熱器。

該方案還期待通過減少通過散熱器到環(huán)境的熱阻，通過該系統(tǒng)增加對流，提高散熱翅片的熱導率，優(yōu)化和/或重新設計所述互補散熱器鼓風機，和增加，以提高空氣冷卻熱交換器性能總體系統(tǒng)系數(shù)。

在同一時間，在nanothermal接口（NTI）項目正在尋找新的材料和結構，可以在電子設備的背面與封裝的下一層之間的熱界面層的熱電阻提供顯著減少，這可能是一個吊具或散熱器。

這是為了避免需要用于熱基材如陶瓷材料，其可以是昂貴的。

有跡象表明，可以在微控制器中實現(xiàn)，以保持電力系統(tǒng)的溫度包絡線之內(nèi)的各種技術。降低了系統(tǒng)的電壓降低了功率，而當他們在不使用關掉各個塊中的器件的能力有利于減少熱活性。類似地降低時鐘頻率以匹配處理要求和加入時鐘選通關掉周邊塊還有助于管理電源。

這顯示在恩智浦最新的微控制器，該LCP54102，它與處理器的組合解決電源問題。超低功耗32位ARM 100 MHz的的Cortex-M0 +內(nèi)核工作在55μW/ MHz的功耗管理外圍設備和監(jiān)控系統(tǒng)，具有較大的100 MHz的ARM Cortex-M4處理器的復雜的算法處理。在3.3×3.3毫米芯片采用了90納米制程與256 KB閃存和104 KB SRAM，模數(shù)轉換器，計時器和數(shù)字接口。

恩智浦的咖啡發(fā)展局的圖像

圖1：恩智浦的咖啡發(fā)展局與LCP54102微控制器。

所有這一切都旨在減少電池供電的傳感器融合的應用程序的總體功耗，因為電壓是0.85V，和1.35 V的自動調整，以匹配不同頻率的每個取決于功率輪廓的處理器核心設置。這些功率分布是在與一個API來容易地管理芯片和芯的頻率和睡眠模式的所有外圍設備的ROM中，但這些也可以直接調節(jié)。無論是設置和API是通過咖啡發(fā)展局訪問。然而，包裝和系統(tǒng)設計必須考慮到該裝置的最大功耗。而平均功率可能會降低，并且在空閑模式中使用的功率也低，峰值功率具有與散熱器和方式來移動熱量遠離核心處理器被容納。

一個例子是由飛思卡爾半導體為其的Kinetis KL03處理器，其測量剛剛1.6×2.0毫米開發(fā)的晶圓級芯片尺寸封裝（CSP）。

飛思卡爾的芯片級封裝圖片

圖2：飛思卡爾的芯片級封裝的的Kinetis KL03微控制器。

該KL03 CSP（MKL03Z32CAF4R）減小了電路板空間，同時集成的功能，如低功耗（LP）UART接口，SPI，I2C，模擬 - 數(shù)字轉換器（ADC）和LP定時器支持低功耗模式下操作，而不會醒來包括核心一起ARM的Cortex-M0 +內(nèi)核。

單周期的高速I / O訪問端口，可以有效位模擬和軟件協(xié)議仿真，保持一個8位的“外觀和感覺”，同時保持功耗降低，以及多個靈活的低功耗模式，包括新的計算時鐘選項通過將外設以異步停止模式降低了動態(tài)功耗。

飛思卡爾的Kinetis KL03圖3框圖的形象：的Kinetis KL03的框圖 - 外周塊可以單獨控制，以盡量減少熱分布。

其結果是，所述的Kinetis KL03 CSP消耗35％較PCB面積但比其它設備的60％以上的GPIO。這使設計人員能夠大幅降低其電路板尺寸不影響最終產(chǎn)品的性能，功能集成和功耗，但仍強調需要良好的熱管理。

飛思卡爾的自由開發(fā)板與KL03控制器：飛思卡爾的自由開發(fā)板圖4圖像。

通過收購Energy Micro公司的，Silicon Labs公司目前有一系列的高能量的微控制器。與32位的ARM Cortex-M0 +內(nèi)核，創(chuàng)新的低能量的技術，從節(jié)能模式短喚醒時間，和多種選擇外設的組合，所述EFM32ZG微控制器的目的是低能量的設計。

在單片機的一個關鍵因素是能源管理單元（EMU）管理所有的低功耗模式（EM）的微控制器。每個能量模式管理如果CPU和各種外圍設備都可用。該塊還可以用于關閉電源到未使用的SRAM模塊。此鏈接到時鐘管理單元（CMU），其控制芯片上的振蕩器和時鐘，接通和斷開的時鐘逐個向所有外設模塊除了啟用/禁用和配置可用振蕩器。的高度靈活性使得軟件通過不浪費電源外設和振蕩器處于非活動狀態(tài)，以盡量減少任何特定應用的能耗。

從Silicon Labs公司的EFM32ZG低功耗微控制器：來自Silicon Labs的圖5 EFM32ZG低功耗微控制器的圖像。

使用ARM的Cortex-M0內(nèi)核的微控制器的另一個系列是英飛凌科技公司的XMC1000。這是通過使用一個65納米制造工藝以克服當今8位設計的局限性，與快閃存儲器縮放從8 KB到200字節(jié)。所述XMC1200線設有外圍設備以進行LED照明和人機界面的設計，并且XMC1300系列涉及的馬達控制或數(shù)字功率轉換應用的實時控制的需要。由于家庭的目的是更換控制器的8位設計，使包裝在16和38引腳塑料TSSOPs，有更多的散熱考慮。這些可以與深睡眠模式來解決關閉在使用該芯片的時候不行。

從英飛凌圖6 32位XMC1000圖片：英飛凌32位XMC1000意在取代設計的8位控制器，必須要考慮散熱問題。

英飛凌XMC1000發(fā)展體系：XMC1000開發(fā)系統(tǒng)由英飛凌圖7形象。

結論

該驅動器系統(tǒng)的小型化帶來了微控制器子系統(tǒng)的散熱設計和管理方面的挑戰(zhàn)。這可以用新的熱管和封裝技術來完成，以補償增加的功耗，并且還與更復雜的電源管理技術。能夠使用的系統(tǒng)軟件來控制時鐘信號和電壓至各外圍塊以及控制器核心還可以幫助降低功耗，使硅在現(xiàn)有，或甚至更小的芯片級封裝有效地運作。這有助于平衡減少芯的尺寸和封裝的系統(tǒng)的熱需求的競爭性需求。