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集成恒流驅動功能的芯片SS523A(SH30F9801)的研發和應用

摘要：白色家電廠商希望用盡可能少的MCU,去實現以前多顆MCU實現的功能。比如最好一顆MCU實現控制，觸摸，顯示等功能。同時該MCU能完成多個不同項目的開發。所以對于MCU資源要求更大，CPU平臺更通用;這樣有利于研發管理和效率提升，同時在一定程度上可以節省BOM的成本。白電主控升級芯片SS523A(SH30F9801)非常符合預期，產品采用M0+內核，具有高集成度。

1 引言

隨著技術的不斷進步，各種智能家電的功能也越加復雜。為了實現這些復雜的功能往往需要采用更多的硬件電路或者專用芯片。這就導致應用開發時的難度增高，同時物料（BOM）成本也會增加。為了迎合智能家電的市場，針對智能家電的技術特點，本文提出了一種集成資源豐富的MCU，可降低能家電項目的開發難度，減少項目BOM成本。

2 SS523A主處理器的架構

SS523A采用通用的M0+內核，產品走高集成化技術路線，內置了4個可編程計數器陣列（PCA）和4個16位PWM定時器模塊，集成了一個12位多通道高速模擬數據轉換器（ADC），集成了16路恒流驅動，集成了32路觸摸按鍵檢測模塊，使其應用范圍更加廣泛[1][2]。其架構如圖1所示。

圖1 SS523A主處理器的架構

3 SS523A(SH30F9801)核心技術

3.1 集成觸摸檢測模塊

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

SS523A觸摸檢測模塊主要由多路選擇器（Input Control）、校準電路（Compensation Circuit）、數據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代表觸摸檢測通道n的等效寄生電容，Cs為觸摸檢測模塊內部的校準電容；Rs代表內部可變抗干擾電阻。

該模塊無需外接電容即可實現觸摸檢測功能，其具體檢測過程如下：

? 第一步：對內部校準電容Cs進行充電至VDD（芯片供電電壓），對檢測通道寄生電容Cyn進行放電至0V；

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

? 第三步：將檢測通道和內部校準電路與內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進行充放電，至電荷平衡，電壓維持在VOUT；

? 第四步：通過ADC模數轉換器采集最終的平衡電壓(VOUT)；

? 第五步：通過濾波電路對ADC轉換結果進行硬件濾波處理。

當感應按鍵處于無觸摸狀態時，通過調節內部校準電容Cs的值使其與通道外部寄生電容Cyn達到平衡的狀態，此時輸出電壓VOUT將維持在固定值附近。當手指觸摸在感應按鍵上時，由于手指等效電容Cfinger的加入，檢測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Cf電壓VOUT將增大，從而ADC（模數轉換器）采樣值會變大，依此可以檢測出手指按下的動作[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

同時針對該觸摸模塊的特性，SS523A提供了將檢測結果VOUT轉變為實際穩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 集成改進型恒流發光二極管（LED）驅動器

顯示的多樣性作為白色家電升級的必要需求，對LED驅動電流的精度控制和穩定性控制有了更高的要求，傳統的LED驅動都是通過電阻調節電流的，精度較差。當然，也有采用恒流驅動的方式，但其特性會隨著溫度和負載變化發生交大的變化。SS523A作為白色家電主控芯片，芯片內部集成了一種改進的恒流LED驅動模塊，精度高，基本不受負載和溫度的影響[5]。

圖5：現有技術中的一種LED恒流源驅動電路原理圖

傳統的恒流驅動電路[6]如圖5所示：包括基準電壓源、高增益運放、R0、PMOS(P溝道型絕緣柵場效應管)鏡像單元構成，SEG口連接LED負載串。基準電壓源連接到運放的反向端，R0以及PO3的漏端接入運放的正向端，運放的輸出端接PO1的柵極。VREF、OP1、PO1、PO3、R0構成電壓電流轉換網絡；PO1/PO2構成電流鏡像單元，PO1/PO3、PO2/PO4均為cascode結構（共源共柵結構），增大電流源的輸出阻抗為：

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

PO2/PO4構成的cascode對PO2起到屏蔽作用，減弱輸出電壓對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的結構存在以下問題：（a）當輸出電壓VSEG變大時，PO4管的Vds（漏源電壓）變小，PO4易進入線性區，PO4對PO2的屏蔽效果變差，VD2易受VSEG電壓變化，導致輸出電流隨輸出電壓變化，恒流源精度降低；（b）SEG口上負載電流較大，一旦PO4進入線性區，PO4的尺寸會比較大，增加芯片面積；（c）輸出功率管PO2為PMOS管，較NMOS(N溝道型絕緣柵場效應管)驅動能力弱，同等驅動能力下，面積較NMOS大，d）R0一般為集成電阻，隨溫度變化較大，導致恒流源輸出的溫度效應差。

圖6：現有技術中的另一種LED恒流源驅動電路原理圖

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

圖7：SS523A采用的恒流源驅動電路原理圖

SS523A項目采用一種不受負載電壓、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LED恒流驅動電路，此架構中電壓電流轉換電路產生的基準電流直接通過NMOS鏡像網絡給LED提供驅動電流，不需要中間一級PMOS鏡像網絡，且NMOS驅動能力強，大負載電流下芯片面積小；輸出電壓反饋網絡使恒流源輸出基本不隨負載電壓變化；溫補電流源部分減小了集成電阻溫漂對恒流源的影響，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：

基準電壓R1、R2、OP1、NO1、NC1、R構成的電壓電流轉換網絡，其中串聯的R1對電源分壓后接入運算放大器的反向端，運放放大器的同向端接兩個R2的公共端，運算放大器的輸出接NO1/NO2的柵極，NO1的漏極接NC1的源極，NC1的漏端接右側R2另一端及R的一端，R的另一端接電源電壓，左側R2另一端接電壓基準源。NO1、NO2構成電流鏡單元，NO2漏極接NC2源極及負載LED串，NC2柵極、漏極短接并同NC1柵極及溫補電流源IO相連。

根據高增益運放OP1正向輸入端和反向輸入端的‘虛短’的特性，VP = VN = VDD/2，V1點的電壓為：V1 = VDD- VREF，流經R的電流：I1 = VREF/ R，流經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R2 >>R，Iref≈ VREF/ R；此基準電流可直接經過NMOS鏡像網絡給負載提供電流驅動，負載電流較大時，采用NMOS作功率管芯片面積較小，且無圖6中間一級PMOS鏡像網絡引入的失調誤差。

NC1、NC2、溫補電流源IO構成輸出電壓反饋網絡，NC1為源極跟隨器，使VD = VOUT，鏡像單元NO1、NO2無論工作在飽和區還是線性區，NO2均可精準復制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，導致Iref會隨著溫度而變化，溫補電流源模塊會生成同Iref溫度變化趨勢相同但斜率為Iref斜率N+1倍的電流源，抵消R0隨溫度變化導致的恒流源變化，減弱溫度效應對恒流源的影響。從而解決了傳統LED恒流源驅動電路存在的輸出電流隨溫度變化的問題。

4 SS523A在白色家電應用的優勢

SS523A芯片在白色家電的面板控制應用中有很大的優勢，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，一顆恒流驅動芯片。圖9為SS523A的控制方案，新的控制方案只需要1顆MCU。同時，SS523A 采用M0+內核，最大支持62個IO，FLASH大小128K，28個AD口，支持UART/SPI/I2C多種通訊協議，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，冰箱，洗衣機等，都可以采用該芯片作為開發平臺。