运动控制和电源管理IC的可配置、可定制混合信号解决方案

　　S.A.B.Re(电桥和稳压器组成的结构化架构)代表了运动控制IC和电源管理IC领域的一个新概念。

       意法半导体公司制定这个规格的目的是为客户提供一个以多功能、可配置、可定制为特色的IC，即一个完整的混合信号系统级芯片，客户可以根据不同的应用需求配置和定制电机驱动器、稳压器、高精度模数转换器、运算放大器以及其它模拟或数字电路。

　　这个芯片设计的物理布局也可以快速地重新设计，以便推出一系列能够解决大功率和高压需求的产品。

        虽然S.A.B.Re IC主要是为打印机的运动控制和电源管理设计的，但是，因为灵活性非常高，工业应用中的大功率高压模拟设备和电机都可以使用这款芯片（图1）。

　   与现有的电机驱动器和开关稳压器相比，S.A.B.Re IC的一个重要优点是能够管理实际应用中的整个电源部分，而且上电例程可以编程。客户通过串口给IC编程可以配置设备，通过配置GPIO输入可以定义启动顺序。通过修改金属层，可以深入定义芯片，以设定不同的功能。

　   这款芯片的主要特性是：集成上电排序电路、电压监控功能和极低的功耗，其中电压监控功能包括故障报警和复位管理。

　　S.A.B.Re还有一个内部开关按钮管理器，能够把IC从睡眠模式转入通电模式，即系统稳压器给整个应用供电。因为这个系统级芯片可以把设备转入睡眠模式(关断)，在这种情况下，除等待唤醒信号(按下开机按钮)激活系统的电路外，系统中的其它电路都处于断电状态。这个功能有利于卓有成效地管理应用功耗，而且无需任何外部电路。

　　当被用于系统电源管理器时，S.A.B.Re可以关断所有的电源，最大限度地降低系统功耗(大约35mW)。这个优点使系统能够达到世界能效标准的规定，例如，美国的能源之星标准。

　　上电例程用于定义IC的工作模式(四个可能设置：基本模式、单控制器、主控制器和从控制器)、应用系统架构中的稳压器数量及类型(是不是系统稳压器)和上电顺序。

       在基本模式下，稳压器预设启动顺序只有一种，而其它三种模式在可编程用户选择基础上提供多达6种稳压器预设启动顺序。在同一块应用电路板上使用两个以上的IC时，需要选择主控制器和从控制器模式。

　　S.A.B.Re IC的主要组件是四个可配置的电桥，这四个电桥可以用作四个直流电机驱动器或两个直流电机驱动器和一个步进电机驱动器，还可用作开关稳压器或电池充电器。其它组件包括一个变压型降压开关稳压器、一个开关稳压器控制器、一个线性稳压器、一个多路可配置9位模数转换器、两个运算放大器、一个双向串行接口和几个通用输入输出引脚。在这四个H电桥中，每个电桥都是由两个独立的半桥组成，具有过流、过热和短路接地保护功能，提供电源。

　　步进电机驱动模式是用电桥3和4配置的，内部上电排序器含有多达6个工作模式，包括全步到微步功能、可编程混合衰减和正弦数模转换器。

　　利用一个内部专用的可编程PWM信号，每个H桥可以驱动一个直流电机。S.A.B.Re最多可以输出7个PWM信号(其中三个通过GPIO引脚可以在外部获得)。GPIO引脚和内部模块(9位模数转换器、数字比较器和中断控制器)可以处理一个数字编码器输入。除电机驱动器功能外，用户设置参数还可以把电桥配置成多个附加模式。

 

　　H桥1和2的设计架构相同，可以并联成一个“超级直流驱动器”(输出电阻降低一半，输出电流扩大)。这两个电桥还可以用作半桥(最多4个半桥或并联)和开关(单个或并联)。

　　电桥1和2始终提供上述配置，除这些配置外，H桥3和4还可以用作两个降压稳压器(或并联两个稳压器构成一个超级降压稳压器)，或者可以用作充电器的开关稳压控制器(只用电桥4)。

　　S.A.B.Re的其它可配置组件包括：一个变压型降压稳压器(还可以利用一个电桥再实现一个变压型降压稳压器)、一个开关稳压控制器(能够驱动一个外部FET晶体管)和一个线性稳压器。利用内部寄存器设置或外部数模转换器，可以给这些稳压器编程，这些稳压器都具有过流保护功能。

　　在特定的商业条件下，客户还可以要求定制芯片的金属层，使S.A.B.Re适应他们的设计需求。

　　为取得特定的数字功能(例如：接口或者实现一个辅助开关稳压器控制回路或访问一个特定内部信号以及其它功能)，逻辑电路可以重新布线。可用逻辑门的数量取决于可定制产品未使用的现有功能。

　　现有的模拟功能模块都可以配置和互连，包括与数字功能模块互连。这样，客户可以获得复杂的知识产权模块或现有功能的一个特定行为或性能。

　　利用上面谈到的可配置模块，用户可以轻松地设计多种芯片架构，下面是几个简单的示例。

　　第一个示例是一个中端喷墨打印机的架构（图2）。这是一个典型的家用打印机设计，可能配有三个直流电机：第一个用于送纸(电桥2)，第二个用于移动墨盒(电桥1)，第三个有些辅助功能(电桥4)，例如，喷墨泵或纸盒选择。

　　这个设计要求稳压电源提供大约5个电压值：5V的USB HoST控制器或读卡器电压(电桥3的半桥)、1.8V(典型值)的数字系统级芯片的内核电压(电桥3的半桥)、16V(典型值)的喷头电压、2.5V DDR电压和3.3V输入输出电压。

       第二个示例是一个低端多功能喷墨打印机（图3），在这个示例中，S.A.B.Re可以满足所有的应用需求。S.A.B.Re芯片的电机部分由扫描仪步进电机驱动器(电桥3和电桥4)和两个直流电机驱动器组成，其中一个直流电机用于送纸(电桥2)，另一个电机则用于移动墨盒(电桥1)。

　　低价打印机也需要若干组电源：1.8V系统级芯片的内核电压、3.3V输入输出电压和喷头电压，所有电源都由稳压器部分处理。

       第三个示例是一个高端多功能喷墨打印机（图4）。在这个示例中，电机通常需要更大的电流，所以需要“超级直流”驱动器(方法是并联两个H电桥)。此外，为了便于维护和检修喷头，大概还需要一个附加的步进电机。

　　在这个示例中，在同一个电路板上安装两个S.A.B.Re芯片，将一个设定为主控制器，另一个设定为从控制器。

　　S.A.B.Re是一个含有完整的模拟功能的电机控制和电源管理解决方案。除技术特性外，S.A.B.Re解决方案还提出了一个新的营销概念：当设备量产时能够缩短和简化供应链的多功能混合信号产品。由于灵活性很高，只要修改固件设置，增加几个外部组件和接口，就可把这款芯片用于不同的应用和平台。这些潜在的好处精简了材料管理手序，节省了时间和成本，降低了库存的不利影响。

　　一个S.A.B.Re芯片可以取代多个组件，从而降低了设备材料的总体成本(材料成本对比测试显示，S.A.B.Re节省成本高达20%)。

　　如果客户工程师积累了S.A.B.Re芯片的使用经验，能够利用其灵活性和可配置性解决不同的应用需求，他们就能按照新项目的要求快速地调整S.A.B.Re芯片的架构，缩短产品的上市时间和开发周期。

　　S.A.B.Re芯片配有一个专用的开发工具包，包括应用板、PC接口、软件和用户手册（图5）。这套工具可以帮助设计工程师根据不同的设备配置评估S.A.B.Re的功能性。

　　S.A.B.Re是一个可配置性和定制性都很出色的芯片，具有非常高的灵活性，而开发时间和成本只是全定制设计方法的几分之一。

 

本文来源：意法半导体公司     作者：Mauro STEFANONE

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