Model3工业级HMI芯片详解系列专题（三）：安全、稳定、高防护

芯片作为电子设备的核心部件，，根据不同的应用领域被分为不同等级。工业级芯片适用于工业自动化、控制系统和仪器仪表等领域，对芯片的安全、稳定、防护能力等等有着较高的要求。这些芯片往往需要具备更宽的工业温度范围，能够在更恶劣的工作环境下运行。

因此，本文将从静电可靠性、EPWM控制、电阻触摸屏三个方面入手，对Model3芯片进行详细的介绍，以便大家对Model3的安全性、稳定性有着更为清晰的认识。

高达8KV的ESD HBM防护：工业级ESD天花板

Model3芯片的ESD设计从整个芯片防护及可能发生的ESD情形考虑：

• 每个I/O电路中设计相应的ESD保护电路包含二极管、MOS管、静电泄放器的组合；
• 在发生ESD时能提供电源到地直接低阻抗电流泄放通道；
• 在合适的位置增加芯片电源和地引脚数量，有效增强抗ESD能力；
• 严格把控版图设计，避免出现ESD薄弱环节。

静电可靠性的相关验证项目，主要包含HBM、CDM、LU。其中，ESD和CDM是面向半导体器件的静电放电测试模型，在进行产品设计选型时，应尽量选择ESD耐压等级高的原器件。

如表1所示为JEDEC和AEC-Q100标准针对半导体器件HBM的静电抗扰度等级划分，表2所示为针对CDM的静电抗扰度等级划分。而AEC-Q100通常要求HBM通过级别为±2000V；CDM通过级别为±500V，角引脚±750V。

表1：HBM静电抗扰度等级划分

 

表2：CDM静电抗扰度等级划分

 

Model3芯片静电可靠性项目测试结果如表3所示，其测试结果表现突出，远超行业标准要求。在HBM项目上通过±4kV Class-3A级别，超出AEC-Q100要求的±2kV Class-2级别；在CDM项目上至少通过±750V C2b级别，超出AEC-Q100要求的±500V C2a级别。

表3：Model3芯片静电防护测试结果

 

高精度EPWM控制：满足复杂机电控制

Model3芯片支持高精度电子脉宽调制（EPWM）控制，这确保了复杂电机控制和精细过程控制的需要得以满足，从而使得Model3在控制应用中更加精准。

相比于传统的PWM技术，Model3芯片增加了计数比较模块。PWM的硬件设计，使用时基计数器产生锯齿波信号，使用一个比较器可同时产生两路PWM信号。 PWM模块的硬件原理图可简化如下：

简化的PWM硬件框图

 

 

PWM 模块支持的功能特性有：

• 每个PWM通道可以产生两个PWM输出信号: PWMx0 和 PWMx1，可遵循如下配置
• 两个独立的单边输出
• 两个独立的双边对称输出
• 一个独立的双边非对称输出
• 专用的16位可配置周期和频率的时基计数器（Time Base Counter）
• 系统时钟100MHz
• 多种事件可配置产生对应的中断

通过计数比较模块，EPWM在处理PWM信号时能够有效地防止在PWM周期内出现故障以及毛刺，提高了系统的稳定性和可靠性。EPWM能够更加精确地控制PWM的占空比和频率，从而实现对电机或其他负载的更精细控制。

内置4线电阻触摸屏驱动：降低外围BOM成本

Model3芯片将触摸屏驱动集成到芯片内部，简化系统设计和硬件布局，简化对外部原件和接口的需求，降低了外围BOM成本；同时因为减少了外部干扰和噪声，触摸屏的性能也更加稳定。

RTP模块特性：

• 支持4线RTP，即X+、X-、Y+、Y-
• 支持压力感应
• 支持最多2点触摸
• 支持采样滤波，滤波参数可配置
• 支持触摸检测中断
• FIFO深度16

RTP需要依赖ADCIM模块（统一管理硬件通路和处理信号校准），其关系如图：

RTP和ADCIM的逻辑关系图

 

对于一次RTP的点击动作，会有4个相关的采样点，这些采样点的选择和控制方式可以有不同的组合，分为两大类采样模式：

手动模式

手动去配置硬件4个采样点的电路信号，来组合得到XN、YN、ZA、ZB等采样数据。

自动模式

自动模式意味着硬件自动配置电路，直接输出XN、YN、ZA、ZB等采样结果。 在自动模式中，根据采样数据是否连续进行又分为：

• Period sample：周期采样，硬件会按照配置的周期自动采集和上报数据
• Single sample：为避免和“单个采样点”混淆，称作 非周期采样，由软件触发完成一次采样

总结

1. Model3芯片具备高达8KV的ESD HBM防护，在恶劣的工业环境中能够抵抗各种电磁干扰，提升系统可靠性；
2. Model3芯片支持高精度电子脉宽调制（EPWM）控制，能够满足复杂电机控制和精细过程控制的需要，在控制应用中更加精准；
3. Model3芯片内置4线电阻触摸屏驱动，为用户提供便捷的交互途径，降低了外围BOM成本。