集成恒流驅(qū)動(dòng)功能芯片SS523A（SH30F9801）的研發(fā)與應(yīng)用

摘" 要：白色家電廠商希望用盡可能少的微控制單元（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(kāi)發(fā)。所以對(duì)于MCU資源要求更大，中央處理器（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)省物料（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。

關(guān)鍵詞：白色家電；主控芯片；觸摸檢測(cè)；恒流驅(qū)動(dòng)；高亮LED

中圖分類(lèi)號(hào)：TN492 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）28-0177-04

Abstract： White goods manufacturers want to use as few MCUs as possible to achieve the functions previously achieved by multiple MCUs. For example， it is best to use a MCU to achieve control， touch， display and other functions. At the same time， the MCU can complete the development of many different projects. Therefore， the demand for MCU resources is greater， and the CPU platform is more general; this is conducive to research and development management and efficiency improvement， while to a certain extent， it can save the cost of BOM. The upgraded chip SS523A （SH30F9801） for white goods is very in line with expectations， the product uses M0 + core， with a high degree of integration.

Keywords： white goods; main control chip; touch detection; constant current drive; highlight LED

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(zhuān)用芯片。這就導(dǎo)致應(yīng)用開(kāi)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，可降低家電項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)難度，減少項(xiàng)目BOM成本。

1" 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。

2" SS523A（SH30F9801）核心技術(shù)

2.1" 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）[1-3]。SS523A觸摸檢測(cè)模塊原理示意圖如圖2所示。

圖2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(wú)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(guò)程如下。

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

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(guò)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集最終的平衡電壓（VOUT）。

第五步：通過(guò)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(wú)觸摸狀態(tài)時(shí)，通過(guò)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]。觸摸前后電壓變化圖如圖3所示。

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]。觸摸算法框圖如圖4所示。

2.2" 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(guò)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)生較大的變化。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]。

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。基準(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為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為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為MOS管PO4的導(dǎo)通阻抗；ro2為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(wèn)題：①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；②SEG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；③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；④R0一般為集成電阻，隨溫度變化較大，導(dǎo)致恒流源輸出的溫度效應(yīng)差。

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(wèn)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③的問(wèn)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的其他問(wèn)題依然存在。

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(guò)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)載電流下芯片面積小；輸出電壓反饋網(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2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)R2gt;gt;R，Iref≈VREF/R；此基準(zhǔn)電流可直接經(jīng)過(guò)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(wú)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(wú)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(wèn)題。

3" 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(zhuān)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為128 K，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(kāi)發(fā)平臺(tái)。

4" 結(jié)束語(yǔ)

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(lái)持續(xù)發(fā)展的方向。

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