集成恒流驅(qū)動(dòng)功能的芯片SS523A(SH30F9801)的研發(fā)和應(yīng)用

摘要：白色家電廠商希望用盡可能少的MCU,去實(shí)現(xiàn)以前多顆MCU實(shí)現(xiàn)的功能。比如最好一顆MCU實(shí)現(xiàn)控制，觸摸，顯示等功能。同時(shí)該MCU能完成多個(gè)不同項(xiàng)目的開發(fā)。所以對(duì)于MCU資源要求更大，CPU平臺(tái)更通用;這樣有利于研發(fā)管理和效率提升，同時(shí)在一定程度上可以節(jié)省BOM的成本。白電主控升級(jí)芯片SS523A(SH30F9801)非常符合預(yù)期，產(chǎn)品采用M0+內(nèi)核，具有高集成度。

1 引言

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種智能家電的功能也越加復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的功能往往需要采用更多的硬件電路或者專用芯片。這就導(dǎo)致應(yīng)用開發(fā)時(shí)的難度增高，同時(shí)物料（BOM）成本也會(huì)增加。為了迎合智能家電的市場(chǎng)，針對(duì)智能家電的技術(shù)特點(diǎn)，本文提出了一種集成資源豐富的MCU，可降低能家電項(xiàng)目的開發(fā)難度，減少項(xiàng)目BOM成本。

2 SS523A主處理器的架構(gòu)

SS523A采用通用的M0+內(nèi)核，產(chǎn)品走高集成化技術(shù)路線，內(nèi)置了4個(gè)可編程計(jì)數(shù)器陣列（PCA）和4個(gè)16位PWM定時(shí)器模塊，集成了一個(gè)12位多通道高速模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（ADC），集成了16路恒流驅(qū)動(dòng)，集成了32路觸摸按鍵檢測(cè)模塊，使其應(yīng)用范圍更加廣泛[1][2]。其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 SS523A主處理器的架構(gòu)

3 SS523A(SH30F9801)核心技術(shù)

3.1 集成觸摸檢測(cè)模塊

觸摸按鍵由于其能夠使產(chǎn)品外觀更加美觀，易于清潔，更具科技感，在白色家電領(lǐng)域中已經(jīng)全面應(yīng)用，成為了白色家電產(chǎn)品升級(jí)的必要需求。SS523A作為白色家電主控芯片，其芯片內(nèi)部集成了觸摸檢測(cè)模塊。該觸摸檢測(cè)模塊具有高靈敏度，高抗干擾的特性，是該芯片的核心技術(shù)之一。

SS523A觸摸檢測(cè)模塊主要由多路選擇器（Input Control）、校準(zhǔn)電路（Compensation Circuit）、數(shù)據(jù)采集及濾波電路組成（Acquisition Module/Filtering）[1][2] [3]。如下圖2所示為SS523A觸摸檢測(cè)模塊原理示意圖。

圖2 觸摸原理示意圖

上圖中：Cyn代表觸摸檢測(cè)通道n的等效寄生電容，Cs為觸摸檢測(cè)模塊內(nèi)部的校準(zhǔn)電容；Rs代表內(nèi)部可變抗干擾電阻。

該模塊無需外接電容即可實(shí)現(xiàn)觸摸檢測(cè)功能，其具體檢測(cè)過程如下：

? 第一步：對(duì)內(nèi)部校準(zhǔn)電容Cs進(jìn)行充電至VDD（芯片供電電壓），對(duì)檢測(cè)通道寄生電容Cyn進(jìn)行放電至0V；

? 第二步：將檢測(cè)通道與內(nèi)部校準(zhǔn)電路連通（即將Cyn、Cs連通）。內(nèi)部校準(zhǔn)電容Cs將給Cyn放電至電荷平衡；

? 第三步：將檢測(cè)通道和內(nèi)部校準(zhǔn)電路與內(nèi)部電壓采集電路連通（即將Cyn、Cs與采集電路中的靈敏度電容Cf相連）。Cyn、Cs與采集電路中的Cf進(jìn)行充放電，至電荷平衡，電壓維持在VOUT；

? 第四步：通過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集最終的平衡電壓(VOUT)；

? 第五步：通過濾波電路對(duì)ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行硬件濾波處理。

當(dāng)感應(yīng)按鍵處于無觸摸狀態(tài)時(shí)，通過調(diào)節(jié)內(nèi)部校準(zhǔn)電容Cs的值使其與通道外部寄生電容Cyn達(dá)到平衡的狀態(tài)，此時(shí)輸出電壓VOUT將維持在固定值附近。當(dāng)手指觸摸在感應(yīng)按鍵上時(shí)，由于手指等效電容Cfinger的加入，檢測(cè)通道的等效電容增大至Cyn + Cfinger，獲得的電荷量將增多，Cyn + Cfinger、Cs、Cf充放電平衡時(shí)Cf電壓VOUT將增大，從而ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）采樣值會(huì)變大，依此可以檢測(cè)出手指按下的動(dòng)作[1][2]。圖3給出了觸摸前后電壓變化圖。

圖3：觸摸與非觸摸輸出電壓變化

同時(shí)針對(duì)該觸摸模塊的特性，SS523A提供了將檢測(cè)結(jié)果VOUT轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際穩(wěn)定輸出的按鍵值的算法[4]。如圖4所示為觸摸算法框圖。

圖4：觸摸算法框圖

3.2 集成改進(jìn)型恒流發(fā)光二極管（LED）驅(qū)動(dòng)器

顯示的多樣性作為白色家電升級(jí)的必要需求，對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電流的精度控制和穩(wěn)定性控制有了更高的要求，傳統(tǒng)的LED驅(qū)動(dòng)都是通過電阻調(diào)節(jié)電流的，精度較差。當(dāng)然，也有采用恒流驅(qū)動(dòng)的方式，但其特性會(huì)隨著溫度和負(fù)載變化發(fā)生交大的變化。SS523A作為白色家電主控芯片，芯片內(nèi)部集成了一種改進(jìn)的恒流LED驅(qū)動(dòng)模塊，精度高，基本不受負(fù)載和溫度的影響[5]。

圖5：現(xiàn)有技術(shù)中的一種LED恒流源驅(qū)動(dòng)電路原理圖

傳統(tǒng)的恒流驅(qū)動(dòng)電路[6]如圖5所示：包括基準(zhǔn)電壓源、高增益運(yùn)放、R0、PMOS(P溝道型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管)鏡像單元構(gòu)成，SEG口連接LED負(fù)載串?；鶞?zhǔn)電壓源連接到運(yùn)放的反向端，R0以及PO3的漏端接入運(yùn)放的正向端，運(yùn)放的輸出端接PO1的柵極。VREF、OP1、PO1、PO3、R0構(gòu)成電壓電流轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)；PO1/PO2構(gòu)成電流鏡像單元，PO1/PO3、PO2/PO4均為cascode結(jié)構(gòu)（共源共柵結(jié)構(gòu)），增大電流源的輸出阻抗為：

式中：gm4 - 表示MOS管（絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管）PO4的跨導(dǎo)，即柵壓控制電流大小的能力；gmb4 - 表示MOS管PO4的跨導(dǎo)，即襯底電壓和源端不共點(diǎn)Vbs襯偏效應(yīng)影響MOS導(dǎo)電能力；ro4- 表示MOS管PO4的導(dǎo)通阻抗；ro2 - 表示MOS管PO2的導(dǎo)通阻抗。

PO2/PO4構(gòu)成的cascode對(duì)PO2起到屏蔽作用，減弱輸出電壓對(duì)PO2漏端電壓的影響，其屏蔽效果為：

這種方式保證了輸出電流不受輸出電壓影響，提高恒流源精度。

但圖5的結(jié)構(gòu)存在以下問題：（a）當(dāng)輸出電壓VSEG變大時(shí)，PO4管的Vds（漏源電壓）變小，PO4易進(jìn)入線性區(qū)，PO4對(duì)PO2的屏蔽效果變差，VD2易受VSEG電壓變化，導(dǎo)致輸出電流隨輸出電壓變化，恒流源精度降低；（b）SEG口上負(fù)載電流較大，一旦PO4進(jìn)入線性區(qū)，PO4的尺寸會(huì)比較大，增加芯片面積；（c）輸出功率管PO2為PMOS管，較NMOS(N溝道型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管)驅(qū)動(dòng)能力弱，同等驅(qū)動(dòng)能力下，面積較NMOS大，d）R0一般為集成電阻，隨溫度變化較大，導(dǎo)致恒流源輸出的溫度效應(yīng)差。

圖6：現(xiàn)有技術(shù)中的另一種LED恒流源驅(qū)動(dòng)電路原理圖

為了解決圖5中 PMOS管作為功率管驅(qū)動(dòng)能力弱、大負(fù)載電流下芯片面積大的問題，圖6采用NMOS作鏡像單元為負(fù)載提供恒流輸出[7]。電壓基準(zhǔn)VREF、高增益運(yùn)放OP1、MN0、P1、P3構(gòu)成電壓電流轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)；PO1、PO2構(gòu)成電流鏡像單元，PO1、PO3、PO、PO4構(gòu)成cascode結(jié)構(gòu)，P2、P4的作用為將基準(zhǔn)電流由PMOS電流鏡折入NMOS電流鏡，最終由功率管NO2輸出負(fù)載電流。此架構(gòu)NMOS作為功率管，由于其驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、所需管子尺寸較小，大負(fù)載電流下節(jié)約芯片面積，解決了圖5中的（c）的問題。但相比于圖5多了一級(jí)鏡像結(jié)構(gòu)，額外引入一級(jí)失配，且圖5的（a）、（b）、（d）問題依然存在。

圖7：SS523A采用的恒流源驅(qū)動(dòng)電路原理圖

SS523A項(xiàng)目采用一種不受負(fù)載電壓、溫度等變化且芯片面積較小的高精度恒流源電路。如圖7所示，不同于傳統(tǒng)LED恒流驅(qū)動(dòng)電路，此架構(gòu)中電壓電流轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的基準(zhǔn)電流直接通過NMOS鏡像網(wǎng)絡(luò)給LED提供驅(qū)動(dòng)電流，不需要中間一級(jí)PMOS鏡像網(wǎng)絡(luò)，且NMOS驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，大負(fù)載電流下芯片面積?。惠敵鲭妷悍答伨W(wǎng)絡(luò)使恒流源輸出基本不隨負(fù)載電壓變化；溫補(bǔ)電流源部分減小了集成電阻溫漂對(duì)恒流源的影響，使恒流源的輸出電流基本不受溫度變化[5][8]。

電路具體工作原理如下：

基準(zhǔn)電壓R1、R2、OP1、NO1、NC1、R構(gòu)成的電壓電流轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，其中串聯(lián)的R1對(duì)電源分壓后接入運(yùn)算放大器的反向端，運(yùn)放放大器的同向端接兩個(gè)R2的公共端，運(yùn)算放大器的輸出接NO1/NO2的柵極，NO1的漏極接NC1的源極，NC1的漏端接右側(cè)R2另一端及R的一端，R的另一端接電源電壓，左側(cè)R2另一端接電壓基準(zhǔn)源。NO1、NO2構(gòu)成電流鏡單元，NO2漏極接NC2源極及負(fù)載LED串，NC2柵極、漏極短接并同NC1柵極及溫補(bǔ)電流源IO相連。

根據(jù)高增益運(yùn)放OP1正向輸入端和反向輸入端的‘虛短’的特性，VP = VN = VDD/2，V1點(diǎn)的電壓為：V1 = VDD- VREF，流經(jīng)R的電流：I1 = VREF/ R，流經(jīng)R2的電流：I2 = (VDD –2 * VREF)/(2 * R2)，流入NO1的電流為：Iref = I1 - I2 = VREF/R - (VDD-2VREF)/ (2*R2)，假設(shè)R2 >>R，Iref≈ VREF/ R；此基準(zhǔn)電流可直接經(jīng)過NMOS鏡像網(wǎng)絡(luò)給負(fù)載提供電流驅(qū)動(dòng)，負(fù)載電流較大時(shí)，采用NMOS作功率管芯片面積較小，且無圖6中間一級(jí)PMOS鏡像網(wǎng)絡(luò)引入的失調(diào)誤差。

NC1、NC2、溫補(bǔ)電流源IO構(gòu)成輸出電壓反饋網(wǎng)絡(luò)，NC1為源極跟隨器，使VD = VOUT，鏡像單元NO1、NO2無論工作在飽和區(qū)還是線性區(qū)，NO2均可精準(zhǔn)復(fù)制Iref電流，即恒流源的輸出電流基本不受輸出電壓變化。

由于集成電阻R具有一定的溫度系數(shù)，導(dǎo)致Iref會(huì)隨著溫度而變化，溫補(bǔ)電流源模塊會(huì)生成同Iref溫度變化趨勢(shì)相同但斜率為Iref斜率N+1倍的電流源，抵消R0隨溫度變化導(dǎo)致的恒流源變化，減弱溫度效應(yīng)對(duì)恒流源的影響。從而解決了傳統(tǒng)LED恒流源驅(qū)動(dòng)電路存在的輸出電流隨溫度變化的問題。

4 SS523A在白色家電應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

SS523A芯片在白色家電的面板控制應(yīng)用中有很大的優(yōu)勢(shì)，可以有效減少BOM（物料清單）的成本。如下圖8所示，之前控制面板需要3顆MCU；一顆主控MCU,一顆觸摸專用芯片，一顆恒流驅(qū)動(dòng)芯片。圖9為SS523A的控制方案，新的控制方案只需要1顆MCU。同時(shí)，SS523A 采用M0+內(nèi)核，最大支持62個(gè)IO，F(xiàn)LASH大小128K，28個(gè)AD口，支持UART/SPI/I2C多種通訊協(xié)議，支持多路PWM控制等，可以滿足各種白色家電的控制，例如空調(diào)，冰箱，洗衣機(jī)等，都可以采用該芯片作為開發(fā)平臺(tái)。

圖8：白色家電控制面板傳統(tǒng)的控制示意圖

圖9：SS523A方案家電控制面板控制示意圖

5 結(jié)束語

SS523A作為一顆白色家電升級(jí)的芯片，非常符合目前白色家電廠商的需求，具有廣闊的應(yīng)用前景。大資源，高集成度是家電控制芯片未來持續(xù)發(fā)展的方向。

審核編輯：湯梓紅