Issue 1, December 2005 简介 Stephen Caldwell 家电解决方案组, 总监 欢迎阅读本期技术通讯, 这也是 Microchip Technology 应用工程师撰写的第一期 3V 技术通讯 该系列技术通讯包含令人兴奋的最新技术信息, 涵盖了从 5V 至 3V 移植过程中所面临的技术和逻辑电路设计方面的挑战 由于产品变得更为复杂,IC 厂商不得不使用更小体积的晶体管来满足功能需求并实现合理的成本 所幸的是, 这些复杂的产品比高电压等级的同类产品具有更快的工作速度且消耗更少的动态电流 Gordon Moore 在上世纪 60 年代提出了这个概念并对其作了令人信服的表述, 这即是广为人知的 Moore 定律 当晶体管变得更小时, 有效工作电压范围也将相应地减小 在许多情况下, 如果不增加价格昂贵且功耗较大的内部稳压器, 最新的 IC 处理技术将不能稳定地工作在 5V 电源电压下 许多系统设计工程师通过使用 3V 和更低功率等级的器件实现了具有更低成本 更高速度和更低功耗的设计方案 计算机工业引导了这一趋势 ; 事实上, 今天 PC 中的 CPU 工作电压小于 2V 任何变革都将带来风险 本期技术通讯将帮助系统设计人员理解需要更低电源电压的设计应用并对其进行规划 所幸地是, 许多设计工程师成功地避免了上述风险且知道如何应对出现的技术问题 第一期 3V 技术通讯将涉及汽车和家电工业中面临的独特技术挑战 还有一些技术文章讨论了单片机 嵌入式模拟电路和串行 EEPROM 方面的发展趋势和技术考量供嵌入式系统设计人员参考 本技术通讯通篇提供了丰富的设计技巧和有用的提示 每一期 3V 技术通讯都将突出一个主题, 其内容涵盖供电电源 噪声抑制 通信和功率驱动器 ; 还将为读者列出与本主题相关的应用笔记 移植文档和网站资源 读者可将对相关技术文章的评论和意见通过电子邮件发送至 3V@microchip.com 本期技术通讯内容 为何使用 3V 供电?... 2 采用 3V VDD 进行编程... 3 3V 应用的串行 EEPROM... 3 采用 3V 供电的单片机... 4 Microchip 提供丰富的低电压模拟和接口设计解决方案... 5 推荐阅读 EMC 技术通讯 当使用我们的产品时, 读者可从这些技术通讯中获得很多新思路和设计技巧来改善产品的电磁兼容性能 (Electromagnetic Compatibility, EMC) 读者可从 www.microchip.com > Application Design Center > EMC Design 下载这些技术通讯的电子版本 技巧和诀窍 建议阅读相关的电气技术规范 当设计中混用 3V 和 5V 器件时, 阅读相关的电气技术规范是非常重要的 特别重要的是, 用户必须仔细检查器件的输入 输出阈值电压和输出电流驱动性能 通常无需关注 VIL 和 VOL 参数, 因为无论采用何种技术 CMOS 驱动输出的低电平都非常接近地电位 人们主要关注的问题是 :3V 器件的输出能否驱动 5V 器件, 反之亦然 3V 器件的输出驱动电压范围通常不低于 2.3V (VDD-0.7V) 5V TTL 输入通常以 2V 作为逻辑 1 的最小电压 施密特触发器 (Schmitt Trigger, ST) 输入高电平的最小电压通常是 4V (VDD * 0.8) 因此, 3V 输出可用来驱动 5V TTL 输入但不能驱动 5V ST 输入 2006 Microchip Technology Inc. 1
为何使用 3V 供电? Steve Kennelly 战略产品市场部, 高级经理 Yann LeFaou 家电集团, 市场经理 今天, 制造商所面临的许多挑战之一是如何向其终端用户提供成本更低 性能更好的产品以满足其需求 例如, 通过使用电子解决方案替代机械部件, 家电制造商能提供效率更高 更静音和具有增值功能的家电产品 因此, 一方面目前的趋势是产品中集成了越来越多的电子器件 ; 另一方面, 成本的压力非常巨大, 尤其再加上最近钢和能源等原材料价格持续上涨的因素 如果不是包括单片机在内的集成电路制造技术不断发展进步, 满足这一成本的挑战将是难以想象的 半导体公司致力于提供具有最佳性价比的解决方案, 同时实现更低的系统成本和更多的集成功能 单片机的成本和性能与制造工艺水平相关 当前最先进的嵌入式闪存制造工艺达到 0.25µ, 并正向 0.18µ 以及更高的水平迈进 采用这一工艺等级制造的芯片内部的逻辑电路难以工作在 5V 电压下 汽车引擎管理系统 音响信号处理器 导航系统和视频娱乐设备中专用的高性能单片机早已采用 3V 设计 为满足高速运算性能的需求, 采用小于 0.5µ 硅片制造工艺制造的器件最初运用于汽车应用中 这些器件采用更低的供电电压 EMC 是 3V 设计工程师主要关注的问题 应用设计应能工作于恶劣环境下同时不会增加系统总成本 例如, 现在工程师开始对家电中的电机增加电子控制装置 大多数场合中, 控制板的安装位置离电机很近, 而电机将产生很多电噪声 典型的控制系统常使用低成本的单层或双层 PCB 板, 而且供电电源没有使用变压器隔离 尽管如此, 控制板仍须具有较高的可靠性 汽车应用中一个令人关注的问题是关于数字逻辑阈值 噪声和阻性电压降可能导致车辆不同部位的 地电位 相差很大 当逻辑 1 电平和逻辑 0 电平之间的压差减小时, 系统可能对车体电压变化更加敏感 对于某些传感器, 抗噪声能力降低将对 A/D 造成影响 同时还需关注散热 LED 和继电器的 I/O 驱动能力等相关问题 一些设计工程师还对与 5V 器件接口带来成本增加和 3V 器件供应等问题存在担忧 大多数 3V 器件具有的 I/O 结构使其可直接与其他部件的 5V 逻辑直接相连, 但在某些场合, 谨慎的设计能改善系统性能 为与市场需求保持同步, 设计工程师需充分利用每一个机遇 而这意味着应考虑使用 3V 产品 技巧和诀窍 5V TTL I/O 和 3V CMOS I/O 间的接口以下电路图提供了一个简单且有效的方法实现 5V TTL I/O 和 3V CMOS I/O 之间的接口 当 TTL 器件作为输出时,R1/R2 电阻网络将对 5V TTL 输出进行分压使其降至 3V 以满足 CMOS 输入要求 当两者角色互换, 即 CMOS 器件作为输出时,TTL 输入高电平电压通常需要 2V 或更高 多数 CMOS 输出高电平电压的最低值是 2.3V (VDD - 0.7) 因此, 可根据 TTL 输入漏电流或 R1 * ILEAK 0.3V 的原则来适当选取 R1 的阻值 5V TTL R1 R1 = 2/3 R2 如需帮助我们可帮助您选择适合您应用的器件和开发工具, 以及解答您的咨询 如需上述帮助, 可通过 support.microchip.com 提交一个 ticket Microchip 将乐于向您提供帮助 R2 3V CMOS 2 2006 Microchip Technology Inc.
采用 3V VDD 进行编程 Bret Walters 产品支持, 高级工程师 您需要对 3V 系统中的 PIC 单片机器件进行编程吗? 首先, 从 www.microchip.com 下载此型号器件的编程说明书, 并在文档末尾处找到相关的电压参数说明 这里列出了一些有用的提示 : 器件是否支持 3V 编程? 应核对 D111 参数, 即编程时的供电电压 ( 见下表 ) 如果规范规定块擦除的供电电压最低为 4.5V, 则在代码保护条件下该器件将不支持 3V 擦除操作, 这是因为在重新编程前需要对器件进行块擦除操作 另外, 如果 D111 参数针对外部定时和自定时方式之间存在差异, 则意味着外部编程器编程方式和自编程方式允许的电压范围不同 自编程方式是指器件对自身存储器进行编程操作, 这是通过自举程序 ( 参见 AN851) 或表写操作 ( 参见器件数据手册 ) 来完成的 需要注意的是,LVP ( 低电压编程 ) 和在低 VDD 电压下编程不是同一个概念 LVP 指的是 VPP 而非目标板上的 VDD LVP 是 PIC 单片机 (MCU) 的功能之一, 允许用户在编程电压不超过 VDD 的条件下进行编程操作 LVP 并不代表器件可在 3V 条件下进行编程操作 表 1: 编程 / 校验测试模式下的 AC/DC 特性时序要求标准工作条件工作温度 : 建议 25 C 参数编号 参数 特性 最小值 最大值 单位 条件 D110 VIHH MCLR/VPP/RE3 引脚上的高电平编程电压 VDD + 4.0 12.5 V D110A VIHL MCLR/VPP/RE3 引脚上的低电平编程电压 2.00 5.50 V D111 VDD 编程时的供电电压 2.00 5.50 V 外部定时, 行擦除和写入 3.0 5.50 V 自定时, 仅适用于块擦除 3V 应用的串行 EEPROM Pete Sorrells RMMD 部门, 高级市场经理 Microchip 串行 EEPROM 系列产品已与 3V 兼容 ( 也与 5V 兼容 )! 我们采用有助记忆的符号约定来表征不同的电压范围 : AA = 1.8V - 5.5V LC = 2.5V - 5.5V C = 4.5V - 5.5V 例如, 24AA16B-I/SN 工作电压最低可达 1.8V, 而 24LC16B-I/SN 最低工作电压为 2.5V 图中显示了我们的 AA 和 LC 存储器产品与两种主要 3V 应用范围相比较产生的重叠部分 AA 可用于通常电压范围为 2.0V 至 3.6V 的电池应用中 推荐一种容易记忆的方法 : 就像 AA 型号电池 AA 和 LC 都能用在 3V ± 10% 应用中 事实上这两种类型都能支持最高电压为 5.5V 的应用, 因此毫无疑问也能支持 3V 的系统, 想想看在所需系统电压之上还有很大的裕量呢 无论您系统中的单片机或其他元件使用何种 3V 技术, 您都能找到与之兼容的 业界领先 具有一流产品特性和质量的小型封装串行 EEPROM 2006 Microchip Technology Inc. 3
采用 3V 供电的单片机 Rodger Richey 高级应用经理 当今有两种不可避免的力量在推动单片机设计的发展, 即更高的集成度和更低的成本 遗憾的是, 这两种力量是相互对立的 在单片机中增加更多的功能将使硅片尺寸增加 降低成本的唯一出路是使单片机设计朝着更小制造工艺尺寸的方向发展 一旦制造工艺尺寸小于 0.35µ, 内核电压将降至 3V 或更低 两种最常见的制造工艺 (0.25µ 和 0.18µ) 的内核电压分别是 2.5V 和 1.8V 这些器件通常具有一个内部稳压器对来自外部的 3V ± 10% 电压进行调节, 使之成为 CPU 和数字逻辑电路工作所需的内核电压 制造工艺尺寸变小会给习惯使用 5V 器件的设计人员带来一定的困难 所幸的是, 单片机的外围器件已有使用 3V 供电的同类产品 如运算放大器 稳压器 A/D 转换器 通信接口 (RS-232 RS-485 CAN 等等 ) 等元件都有相应的 3V 产品或可在 2V 至 5V 范围内工作的产品 广为应用的 MAX232 RS-232 收发器目前已有很多变型产品, 例如 MAX3232 提供 3V 产品 采用更小制造工艺尺寸带来的好处是单片机中可集成更多的功能 在 5 至 10 年前, 在处理器中集成以太网 MAC 和 PHY 都是不可想象的, 更不用说 8 位单片机了 今天已有多种器件可实现上述功能, 例如 Microchip 的 PIC18F97J60 该 PIC18 单片机集成了全功能的 10BASE-T MAC 和 PHY, 具有 128 KB 闪存和约 4KB RAM 用于单片机操作, 8 KB RAM 用于以太网 MAC 使用 0.25µ 或更小的制造工艺是实现这一高性价比器件的唯一方法 至此, 您可能认为除了可以集成更多电路,3V 系统就没有太大的优势了 其实与 5V 器件相比,3V 器件还存在几方面的优势 从设计角度出发, 最主要的需求之一是使单片机在最低工作电压条件下达到其最高性能 采用 0.25µ 制造工艺制成的器件 ( 如 PIC18F45J10) 在 3V 电压条件下的最高工作频率可达 40 MHz 与其相比, 类似的 5V 器件 PIC18F4520 在 3V 电压条件下只能工作在 ~25 MHz 这表明处理能力增加了大约 50% 采用 3V 器件的另一个主要优势是节能 PIC18F4520 工作于 5V +25 C 条件下的电流消耗典型值是 21mA 而在相同条件下,PIC18F45J10 仅需 ~15 ma 这表明功耗将降低 25% 许多应用设备安装于恶劣环境, 此时发射和敏感度问题成为影响应用系统性能的重要因素 仅通过将供电电压从 5V 降低至 3V 就可显著降低发射方面的问题 而且, 增加内部稳压器能降低单片机对外部噪声的敏感度 如您所见, 改用 3V 器件将带来更高的集成度 更低的成本 更小的工作电流和大多数情况下更好的 EMC 性能 Microchip 深知在转换至 3V 系统过程中所出现的挑战并乐于帮助我们的用户解决实际中的问题 4 2006 Microchip Technology Inc.
Microchip 提供丰富的低电压模拟和接口设计解决方案 Paul Barna 应用经理 你是否知道 Microchip 已经开发出全系列小功率 / 低电压分立模拟和接口器件? 这些产品在小尺寸封装中整合了不同的模拟功能, 并在小功率环境中实现了最佳性能 Microchip 全系列模拟产品包括线性 混合信号 电源管理 电池管理 接口和热管理解决方案 本文对 Microchip 主要产品系列进行了概括介绍, 并有选择地对一些产品的低电压性能进行了重点介绍 图 1: 热管理 温度传感器 风扇速度控制器 / 风扇故障检测器 电源管理 LDO 和开关稳压器 电荷泵 DC/DC 变换器功率 MOSFET 驱动器 PWM 控制器系统监控器电压检测器电压基准 电池管理 Li-Ion/Li- 聚合物电池充电器智能电池管理器 MICROCHIP 提供全系列分立模拟和接口器件 接口 混合信号 线性器件 CAN 外设 A/D 转换器系列 运算放大器 红外外设 可编程增益 数字电位器 放大器 LIN 收发器比较器 D/A 转换器串行外设 V/F 和 F/V 转换器线性集成器件 以太网控制器 能量管理 IC 线性解决方案 Microchip 线性解决方案包括运算放大器 比较器和可编程增益放大器 运算放大器系列产品是在给定增益带宽积 (GBWP) 条件下具有业界最低静止电流 (I q ) 的产品之一 例如, MCP604X 和 MCP614X 器件最低可工作在 1.4V 和 600 na I q ( 典型值 ), 而此时可提供 100 khz 的 GBWP 大多数器件为单电源供电 轨对轨输入 / 输出, 并采用节省空间的 5 引脚 SOT-23 封装, 可工作于 10 khz 至 10 MHz 带宽下, 工作电压小于 3.3V 这些运算放大器产品是引脚兼容的, 因此在设计需求改变时用户可方便地调整放大器带宽, 这样可在带宽和供电电流之间保持合理的平衡 不同带宽选择 低功耗和小封装外形使得这些器件非常适用于对空间和功耗要求较高的大部分应用场合 Programmable Gain Amplifiers (PGA), Operational Amplifiers and Comparators Design Guide (DS21861) 给出了关于 Microchip 线性产品解决方案的极佳介绍 这一指南可从 Microchip 网站获得 图 2: 器件数目 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 MICROCHIP 的运算放大器产品线包括低于 3.3V 电压供电的器件 运算放大器 1.4 1.8 2 2.2 2.3 2.4 2.5 2.7 6.5 VMIN (V) 混合信号解决方案 Microchip 提供的分立混合信号产品系列包括模数转换器 (ADC) 数模转换器 (DAC) 数字电位器 电压 / 频率转换器 (V/F) 频率 / 电压转换器 (F/V) 和具有低功耗和高精度特点的低压降电压基准 Microchip 的模数转换器 (ADC) 同时具有高性能 低成本和低功耗特点, 是便携式仪器 嵌入式控制和数据采集应用的理想选择 Microchip 的 ADC 产品线中有超过 20 种器件采用低于 3.3 伏的供电电压, 而且还包括具有 10 12 和 13 位分辨率的逐次逼近式 (SAR)ADC, 其采样速率可达 200 ksps 其中还包括分辨率可高达 17 位的双斜率 ADC 和分辨率高达 22 位的高精度 Delta- Sigma ADC, 以及具有超范围和欠范围检测功能的 BCD 和二进制 ADC 通过对不同 ADC 的结构和各自的优点进行讨论, Microchip 的 Analog-to-Digital Converter Design Guide (DS21841) 指导用户如何选择适用于自己应用的 ADC 2006 Microchip Technology Inc. 5
电源管理解决方案 Microchip 提供的电源管理产品能够满足今天最为苛求的电源应用领域的需求 该产品系列包括线性稳压器 开关稳压器 电荷泵 电池充电器 MOSFET 驱动器和电压监视器 Microchip 提供的低压差 (LDO) 线性稳压器具有极低压差 50 ma 至 1 A 输出电流能力和小外形 SOT-23 和 SC-70 封装等特点, 是低功耗 / 低电压应用的理想选择 该系列包括超过 50 种器件而且所有器件可采用 3.3 伏或低于 3.3 伏电压进行供电, 因此非常适合需要低电压 DC-DC 变换的应用 开关稳压器系列包括 控制器 ( 需要一个外部 MOSFET) 和 稳压器 ( 内部集成 MOSFET) 系统设计人员借此可实现各种常见的 DC-DC 变换器结构, 包括 Buck Boost Buck/Boost Flyback 和 SEPIC 一些针对低电压应用的器件是 : Microchip 的 MCP1650 和 TC110 Boost 控制器, 支持低至 2V 的输入电压 TC115 和 TC12X Boost 稳压器, 支持低至 2V 的输入电压 TC105 Buck 控制器, 可将 10V 降至 3V MCP1601 和 MCP1612 Buck 稳压器, 可将电压降压变换至 0.8V Microchip 的电荷泵式 DC/DC 变换器具有反压和非反压倍压器并采用 SMT 封装形式 所有器件都支持 3V 或更低的输入电压 Microchip 的电压监视器可满足大多数系统应用中的设计需求, 这些应用包括工作电压从 0.7V 至 10V 跳变点电压低至 1.6V 电流消耗小于 1 ua ( 典型值 ) 不同的输出驱动器选项和小外形 SC-70 和 SOT-23 封装的应用场合 热管理解决方案 Microchip 提供形式多样的逻辑 电压和串行输出温度传感器, 可以对应用系统进行热保护和实现温度的实时测量和补偿 这些器件中的大多数能工作在低于 3.3 伏电压条件下 用户可从 Microchip 的 Temperature Design Guide (DS21895) 获取相关的信息 室温条件下, 这些传感器的精度为 1 C ( 典型值 ), 其中许多器件在极端温度范围条件下的精度可能变得更高或更低 通过与 PIC 单片机配合使用并实现补偿算法可进一步提高检测性能 应用笔记 AN1001, IC Temperature Sensor Accuracy Compensation with a PIC Microcontroller 介绍了如何使用这一技术有效提高温度检测精度, 即从 1 C 提高至十分之一度 图 3: 补偿前后的温度传感器精度 ( 典型值 ) 对比 接口解决方案 Microchip 的分立接口解决方案包括 CAN (Controller Area Network) 和 IrDA (Infrared Data Association) 协议控制器 以太网控制器 LIN (Local Interconnect Network) 收发器和 GPIO (General Purpose Input Output) 端口扩展器 这些外设为应用系统提供了灵活 高性价比的选项, 可与 PIC 单片机进行直接接口 大多数器件具有相应的开发工具, 可展示器件如何工作于 3V 条件下, 包括与 PIC 单片机的接口和集成两者的固件 用户可从 Microchip 的 Inerface Products Design Guide 获取相关信息 (DS21883) 模拟设计开发工具 Microchip 提供的模拟和接口开发工具可帮助系统设计人员在实现最终设计之前对所选择的 3V 器件在实际电路中进行评估 评估 展示和参考设计电路板强调了器件性能 特定应用解决方案和与单片机的集成情况 用户可从 www.microchip.com/analogtools 获取模拟和接口开发工具的完整列表 结论 Microchip 已针对嵌入式系统设计中低功耗和低电压的需求开发了极佳的分立模拟和接口解决方案 通过使用这些产品, 以及在 Microchip 的专家和产品支持人员的协助下, 系统设计工程师在将 5V 设计改变至 3V 设计的过程中将轻松应对所面临的挑战 6 2006 Microchip Technology Inc.
最近发布的技术通讯本期技术通讯可从 Microchip 网站 http://www.microchip.com 获得 2005 年 11 月第 1 期 简介 为何使用 3V 供电? 采用 3V VDD 进行编程 3V 应用的串行 EEPROM 采用 3V 供电的单片机 Microchip 提供丰富的低电压模拟和接口设计解决方案 提供本文档的中文版本仅为了便于理解 请勿忽视文档中包含的英文部分, 因为其中提供了有关 Microchip 产品性能和使用情况的有用信息 Microchip Technology Inc. 及其分公司和相关公司 各级主管与员工及事务代理机构对译文中可能存在的任何差错不承担任何责任 建议参考 Microchip Technology Inc. 的英文原版文档 本出版物中所述的器件应用信息及其他类似内容仅为您提供便利, 它们可能由更新之信息所替代 确保应用符合技术规范, 是您自身应负的责任 Microchip 对这些信息不作任何明示或暗示 书面或口头 法定或其他形式的声明或担保, 包括但不限于针对其使用情况 质量 性能 适销性或特定用途的适用性的声明或担保 Microchip 对因这些信息及使用这些信息而引起的后果不承担任何责任 如果将 Microchip 器件用于生命维持和 / 或生命安全应用, 一切风险由买方自负 买方同意在由此引发任何一切伤害 索赔 诉讼或费用时, 会维护和保障 Microchip 免于承担法律责任, 并加以赔偿 在 Microchip 知识产权保护下, 不得暗中或以其他方式转让任何许可证 商标 Microchip 的名称和徽标组合 Microchip 徽标 Accuron dspic KEELOQ microid MPLAB PIC PICmicro PICSTART PRO MATE PowerSmart rfpic 和 SmartShunt 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的注册商标 AmpLab FilterLab Migratable Memory MXDEV MXLAB SEEVAL SmartSensor 和 The Embedded Control Solutions Company 均为 Microchip Technology Inc. 在美国的注册商标 Analog-for-the-Digital Age Application Maestro CodeGuard dspicdem dspicdem.net dspicworks ECAN ECONOMONITOR FanSense FlexROM fuzzylab In-Circuit Serial Programming ICSP ICEPIC Linear Active Thermistor Mindi MiWi MPASM MPLIB MPLINK PICkit PICDEM PICDEM.net PICLAB PICtail PowerCal PowerInfo PowerMate PowerTool REAL ICE rflab rfpicdem Select Mode Smart Serial SmartTel Total Endurance UNI/O WiperLock 和 ZENA 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的商标 SQTP 是 Microchip Technology Inc. 在美国的服务标记 在此提及的所有其他商标均为各持有公司所有 2006, Microchip Technology Inc. 版权所有 2006 Microchip Technology Inc. 7
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