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【原创】说说单片机的电气特性之cpu

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初学者学习单片机往往是找一块开发板,找本学习指导书,弄点儿例程,先学开发环境入手,学会开发环境使用,然后就开始流水灯、按键、led、lcd显示,串口通信、……然后就入门了,然后就开始更高级的应用学习,比如说嵌入操作系统,或者自己画个开发板。在这个过程中或许很少有人来关心单片机及其外设的电气特性。但实际上单片机的电气特性对于设计者来说十分重要的,这是设计者在进行系统设计时必须考虑的。举个例子来说,有不少参加电子设计或者智能车竞赛的朋友经常抱怨烧板子,烧芯片,其实产生这个问题的一个非常重要的原因就是板子的设计者并没有完全掌握单片机的电气特性,试想如果在做设计的时候考虑到各个引脚和模块容许电压,输出能力,以及esd,那么烧芯片的情况肯定就少了不少。今天以飞思卡尔MC9S08DZ60为例,介绍一下单片机及其外设的电气特性。

先来说这个芯片的绝对最大额定值:

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从上表可以看出vdd的最大值不能超过5.8v,最小值不能低于-0.3v,输入引脚的电压最低不能低于-0.3v,单个引脚最大电流(输入电流或者输出电流)不能超过25ma,vdd引脚的最大电流为120ma,芯片存储温度,-55到+150摄氏度。如果超出以上范围,芯片有可能立即损坏或者出现芯片过热、性能下降、寿命缩短等现象。所以请设计者还请明白一个道理,设计有缺陷并不代表系统不能工作,大多数设计缺陷都是以系统工作不稳定、寿命达不到设计要求,系统故障率较高为代表的,而且这种缺陷并不一定能在设计初期就能发现,等产品卖出并使用一段时间之后会逐渐显现,造成的损失往往比系统不工作来的严重。

热特性:提供有关操作温度范围、功耗和封装热阻的信息。I/O 管脚上的功耗一般要比片上逻辑的功耗小,它由用户自己决定而非受MCU 设计的控制。为了在功率计算中把 PI/O 考虑进去,先需要确定实际管脚电压和VSS or VDD 间的差,并乘以每个 I/O 管脚的管脚电流。除非出现异常高的管脚电流(大负荷),管脚电压和 VSS or VDD 间的差非常小。

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平均芯片接面温度(TJ)(单位°C)可以用如下等式计算:
TJ = TA + (PD × θJA) 等式A-1
其中:
TA = 周围温度,°C
θJA = 封装热阻,结到环境,°C/W
PD = Pint + PI/O
Pint = IDD × VDD,瓦特— 芯片内部功率
PI/O = 输入和输出管脚上的功耗— 由用户决定
对大多数应用来说, PI/O << Pint ,可以忽略不计。 PD 和 TJ 间的近似关系 (如果PI/O 忽略不计)是:
PD = K ÷ (TJ + 273°C) 等式A-2
将等式1 代入和等式2,求出K 为:
K = PD × (TA + 273°C) + θJA × (PD)2 等式A-3
其中,K 是一个与特殊部件有关的常量。K 可以通过测量已知TA 的PD(平衡时),从等式3 计算出来。如果K 值已知,用等式1 和等式2 相式代入,就可以得出任意TA 值的PD 和TJ。

ESD 保护和抗闭锁方法
芯片的esd参数是考虑设计esd水平以及采取相应esd措施的主要依据。尽管这些器件上的静电放电(ESD)损害要比早期的CMOS 电路的ESD 要小得多,但仍应采取一些正常的处理防范措施,防止静电。要执行一些鉴定测试,以确保这些器件可以忍受合理水平的静电,而不会造成任何永久的损害。整个ESD 测试符合AEC-Q100 汽车集成电路的应力测试鉴定。在进行器件鉴定过程中,要执行人体放电模式(HBM)和充电器件模式(CDM)的ESD 应力测试。如果暴露给ESD 脉冲后,器件不再符合器件规范,那么就认定器件测试失败。在进行完高温测试后,还要在室温下根据每个可适用的器件规范进行完整的DC 参数及功能测试,除非设备规范中另有指定。

esd和闭所测试特性

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esd和闭所保护特性

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芯片的直流特性:主要是指电源要求、I/O 管脚特性及各种操作模式中的电源电流信息

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电流特性:这个表格有单片机在不同时钟频率和不同cpu模式下的典型电流值,或许有人说单片机耗这点儿电不算事,没必要研究这个,那请问如果你设计的产品是电池供电的呢,必须要把它做成低功耗的呢,是不是就该考虑这个了。

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