【启明智显产品分享】Model3工业级HMI芯片详解系列专题(三):安全、稳定、高防护

芯片作为电子设备的核心部件,,根据不同的应用领域被分为不同等级。工业级芯片适用于工业自动化、控制系统和仪器仪表等领域,对芯片的安全、稳定、防护能力等等有着较高的要求。这些芯片往往需要具备更宽的工业温度范围,能够在更恶劣的工作环境下运行。
因此,本文将从静电可靠性、EPWM控制、电阻触摸屏三个方面入手,对Model3芯片进行详细的介绍,以便大家对Model3的安全性、稳定性有着更为清晰的认识。

高达8KV的ESD HBM防护:工业级ESD天花板

Model3芯片的ESD设计从整个芯片防护及可能发生的ESD情形考虑:

  • 每个I/O电路中设计相应的ESD保护电路包含二极管、MOS管、静电泄放器的组合;
  • 在发生ESD时能提供电源到地直接低阻抗电流泄放通道;
  • 在合适的位置增加芯片电源和地引脚数量,有效增强抗ESD能力;
  • 严格把控版图设计,避免出现ESD薄弱环节。

静电可靠性的相关验证项目,主要包含HBM、CDM、LU。其中,ESD和CDM是面向半导体器件的静电放电测试模型,在进行产品设计选型时,应尽量选择ESD耐压等级高的原器件。
如表1所示为JEDEC和AEC-Q100标准针对半导体器件HBM的静电抗扰度等级划分,表2所示为针对CDM的静电抗扰度等级划分。而AEC-Q100通常要求HBM通过级别为±2000V;CDM通过级别为±500V,角引脚±750V。
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Model3芯片静电可靠性项目测试结果如表3所示,其测试结果表现突出,远超行业标准要求。在HBM项目上通过±4kV Class-3A级别,超出AEC-Q100要求的±2kV Class-2级别;在CDM项目上至少通过±750V C2b级别,超出AEC-Q100要求的±500V C2a级别。
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高精度EPWM控制:满足复杂机电控制

Model3芯片支持高精度电子脉宽调制(EPWM)控制,这确保了复杂电机控制和精细过程控制的需要得以满足,从而使得Model3在控制应用中更加精准。
相比于传统的PWM技术,Model3芯片增加了计数比较模块。PWM的硬件设计,使用时基计数器产生锯齿波信号,使用一个比较器可同时产生两路PWM信号。 PWM模块的硬件原理图可简化如下:
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PWM 模块支持的功能特性有:

  • 每个PWM通道可以产生两个PWM输出信号: PWMx0 和 PWMx1,可遵循如下配置
  • 两个独立的单边输出
  • 两个独立的双边对称输出
  • 一个独立的双边非对称输出
  • 专用的16位可配置周期和频率的时基计数器(Time Base Counter)
  • 系统时钟100MHz
  • 多种事件可配置产生对应的中断

通过计数比较模块,EPWM在处理PWM信号时能够有效地防止在PWM周期内出现故障以及毛刺,提高了系统的稳定性和可靠性。EPWM能够更加精确地控制PWM的占空比和频率,从而实现对电机或其他负载的更精细控制。

内置4线电阻触摸屏驱动:降低外围BOM成本

Model3芯片将触摸屏驱动集成到芯片内部,简化系统设计和硬件布局,简化对外部原件和接口的需求,降低了外围BOM成本;同时因为减少了外部干扰和噪声,触摸屏的性能也更加稳定。

RTP模块特性:

  • 支持4线RTP,即X+、X-、Y+、Y-
  • 支持压力感应
  • 支持最多2点触摸
  • 支持采样滤波,滤波参数可配置
  • 支持触摸检测中断
  • FIFO深度16

RTP需要依赖ADCIM模块(统一管理硬件通路和处理信号校准),其关系如图:
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对于一次RTP的点击动作,会有4个相关的采样点,这些采样点的选择和控制方式可以有不同的组合,分为两大类采样模式:
手动模式
手动去配置硬件4个采样点的电路信号,来组合得到XN、YN、ZA、ZB等采样数据。
自动模式
自动模式意味着硬件自动配置电路,直接输出XN、YN、ZA、ZB等采样结果。 在自动模式中,根据采样数据是否连续进行又分为:

  • Period sample:周期采样,硬件会按照配置的周期自动采集和上报数
  • Single sample:为避免和“单个采样点”混淆,称作 非周期采样,由软件触发完成一次采样

总结

  1. Model3芯片具备高达8KV的ESD HBM防护,在恶劣的工业环境中能够抵抗各种电磁干扰,提升系统可靠性;
  2. Model3芯片支持高精度电子脉宽调制(EPWM)控制,能够满足复杂电机控制和精细过程控制的需要,在控制应用中更加精准;
  3. Model3芯片内置4线电阻触摸屏驱动,为用户提供便捷的交互途径,降低了外围BOM成本。

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