Renesas RA4E2微控制器：特性与设计要点解析

在当今的电子设计领域，微控制器（MCU）扮演着至关重要的角色。Renesas的RA4E2 Group MCU凭借其高性能、丰富的外设和低功耗等特性，成为了众多工程师的选择。本文将深入剖析RA4E2的各项特性、电气参数以及设计过程中的注意事项，为电子工程师们提供全面的参考。

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一、RA4E2概述

RA4E2 Group采用了Arm® Cortex® - M33核心，最高运行频率可达100 MHz，具备高达128 KB的代码闪存、4 KB的数据闪存和40 KB的SRAM。此外，它还集成了USB Full Speed、CANFD、I3C和ADC等丰富的外设，为各种应用场景提供了强大的支持。

1.1 功能概述

1.1.1 Arm核心

RA4E2的Arm Cortex - M33核心具有安全扩展的Armv8 - M架构，运行频率最高可达100 MHz。同时，它配备了Arm Memory Protection Unit（Arm MPU），包括8个安全区域（MPU_S）和8个非安全区域（MPU_NS），为系统提供了强大的内存保护功能。此外，还嵌入了两个SysTick定时器，分别为安全和非安全实例，可由SysTick定时器时钟（SYSTICCLK）或系统时钟（ICLK）驱动。

1.1.2 内存

• 代码闪存：最大支持128 KB，用于存储程序代码。
• 数据闪存：4 KB的数据闪存，可用于存储重要数据，具有100,000次的编程/擦除（P/E）周期。
• SRAM：片上高速SRAM，支持奇偶校验位或纠错码（ECC），提高了数据的可靠性。

1.1.3 系统

• 工作模式：支持单芯片模式和SCI/USB/SWD启动模式。
• 复位：提供14种复位方式，确保系统在各种异常情况下能够可靠复位。
• 低电压检测（LVD）：通过LVD模块监测VCC引脚的电压水平，可通过寄存器设置选择检测级别，由三个独立的电压检测器（LVD0、LVD1、LVD2）组成。

1.1.4 事件链接和直接内存访问

• 事件链接控制器（ELC）：利用各种外设模块产生的事件请求作为源信号，将它们连接到不同的模块，实现模块之间的直接链接，无需CPU干预。
• 数据传输控制器（DTC）：在中断请求激活时进行数据传输。
• DMA控制器（DMAC）：8通道的直接内存访问控制器，可在无需CPU干预的情况下进行数据传输。

1.1.5 定时器

• 通用PWM定时器（GPT）：4通道的16位定时器，可用于生成PWM波形，控制无刷直流电机，也可作为通用定时器使用。
• 低功耗异步通用定时器（AGT）：2通道的32位定时器，可用于脉冲输出、外部脉冲宽度或周期测量以及外部事件计数。
• 实时时钟（RTC）：支持日历计数模式和二进制计数模式，可用于时间记录和定时任务。

1.1.6 通信接口

• 串行通信接口（SCI）：2通道，支持异步和同步串行接口，包括UART、ACIA、8位时钟同步接口、简单SPI、智能卡接口和曼彻斯特接口。
• I3C总线接口（I3C）：1通道，符合NXP I2C和MIP I3C的部分功能。
• 串行外设接口（SPI）：2通道，提供高速全双工同步串行通信。
• CANFD：支持经典CAN帧和CANFD帧，符合ISO 11898 - 1标准，支持4个发送缓冲区和32个接收缓冲区。
• USB 2.0全速模块（USBFS）：可作为设备控制器，支持全速传输。
• 串行声音接口增强型（SSIE）：用于与数字音频设备进行通信，支持高达50 MHz的音频时钟频率。
• 消费电子控制（CEC）：用于消费电子设备之间的通信。

1.1.7 模拟外设

• 12位A/D转换器（ADC12）：支持多达12个模拟输入通道，可用于模拟信号的数字化转换。
• 12位D/A转换器（DAC12）：用于将数字信号转换为模拟信号。
• 温度传感器（TSN）：监测芯片温度，确保设备的可靠运行。

1.1.8 数据处理

• 循环冗余校验（CRC）计算器：生成CRC码，用于检测数据中的错误。
• 数据运算电路（DOC）：可对16位数据进行比较、加法和减法运算。

1.1.9 I/O端口

支持5 - V容限、开漏输出、输入上拉和可切换驱动能力，满足不同的应用需求。

二、电气特性

2.1 绝对最大额定值

在使用RA4E2时，必须确保各项参数不超过绝对最大额定值，否则可能会对MCU造成永久性损坏。例如，电源电压（VCC、VCC_USB）的范围为 - 0.3至 + 4.0 V，输入电压（除5 V容限端口外）为 - 0.3至VCC + 0.3 V等。

2.2 DC特性

2.2.1 Tj/Ta定义

允许的结温（Tj）在高速模式下为125 °C，在低速模式和子振荡速度模式下为105 °C（根据产品不同，上限可能为85 °C或105 °C）。设计时需确保 $T{j}=T{a}+theta j a$ + θja × 总功耗（W），其中总功耗 = (VCC - VOH) × ΣIOH + VOL × ΣIOL + $I_{C C} max times VCC$。

2.2.2 I/O $V{IH}$ , $V{IL}$

不同类型的输入引脚（如Schmitt触发器输入引脚、5 V容限端口等）具有不同的输入高电压（$V{IH}$）和输入低电压（$V{IL}$）要求。例如，除Schmitt触发器输入引脚外，EXTAL、SPI（除RSPCK）等外设功能引脚的$V{IH}$为VCC × 0.8 V，$V{IL}$为VCC × 0.2 V。

2.2.3 I/O IOH, IOL

不同的输出引脚和不同的驱动模式（低驱动、中驱动、高驱动）具有不同的允许输出电流（IOH、IOL）。例如，I3C引脚在IIC标准模式下的IOL为3.0 mA，而Ports P205、P206、P407至P411在高驱动模式下的IOH为 - 20 mA，IOL为20 mA。

2.2.4 I/O VOH, VOL, and Other Characteristics

输出电压（$V{OH}$、$V{OL}$）和其他特性（如输入泄漏电流、三态泄漏电流等）也有明确的规定。例如，I3C在不同负载电流下的$V{OL}$值不同，当IOH = - 20 mA、VCC = 3.3 V时，Ports P205、P206、P407至P411的$V{OH}$为VCC - 1.0 V。

2.2.5 工作和待机电流

RA4E2在不同的工作模式（高速模式、正常模式、睡眠模式等）和待机模式（软件待机模式、深度软件待机模式）下具有不同的电流消耗。例如，在高速模式下，最大供应电流可达61 mA。

2.2.6 VCC上升和下降梯度以及纹波频率

VCC的上升和下降梯度以及纹波频率有一定的要求。例如，VCC上升梯度在不同启动条件下的最小值为0.0084 ms/V，最大值为20 ms/V。

2.2.7 热特性

结温（Tj）的计算与环境温度（Ta）、热阻（θja、Ψjt）和总功耗有关。不同封装的热阻不同，如32 - 引脚QFN的θja为36.8 °C/W。

2.3 AC特性

2.3.1 频率

在高速模式下，系统时钟（ICLK）、外设模块时钟（PCLKA、PCLKB、PCLKC、PCLKD）和闪存接口时钟（FCLK）有不同的频率范围。例如，ICLK的最大频率为100 MHz。

2.3.2 时钟时序

不同的时钟信号（如EXTAL外部时钟、主时钟振荡器、LOCO时钟等）有不同的时序要求。例如，EXTAL外部时钟输入周期时间的最小值为41.66 ns，高脉冲宽度和低脉冲宽度的最小值均为15.83 ns。

2.3.3 复位时序

不同的复位模式（如电源复位、软件待机模式复位等）有不同的脉冲宽度和等待时间要求。例如，电源复位时RES脉冲宽度的最小值为0.7 ms，等待时间在37.3至41.2 μs之间。

2.3.4 唤醒时序

从软件待机模式和深度软件待机模式恢复的时间与系统时钟源有关。例如，当系统时钟源为主时钟振荡器时，从软件待机模式恢复的时间在2.1至2.4 ms之间。

2.3.5 NMI和IRQ噪声滤波器

NMI和IRQ脉冲宽度有一定的要求，以防止噪声干扰。例如，NMI脉冲宽度在数字滤波器禁用时的最小值为200 ns。

2.3.6 I/O端口、POEG、GPT、AGT和ADC12触发时序

这些外设的触发时序与PCLKB和PCLKD周期有关，并且在不同的驱动模式下有不同的要求。

2.3.7 CAC时序

CAC REF输入脉冲宽度与PCLKB周期和CAC计数时钟源周期有关。

2.3.8 SCI时序

SCI在不同的通信模式（异步、同步）下，输入和输出时钟的周期、脉冲宽度、上升和下降时间以及数据传输延迟等都有不同的要求。

2.3.9 SPI时序

SPI在主从模式下，时钟周期、高脉冲宽度、低脉冲宽度、数据输入和输出的设置时间、保持时间等都有明确的规定。

2.3.10 I3C时序

I3C在不同的工作模式（标准模式、快速模式、高速模式等）下，时钟输入周期、高脉冲宽度、低脉冲宽度、数据输入和输出的设置时间、保持时间等都有不同的要求。

2.3.11 SSIE时序

SSIE的时钟周期、高电平/低电平时间、上升/下降时间以及数据输入和输出的设置时间、保持时间等都有特定的要求。

2.3.12 CANFD时序

CANFD的内部延迟时间和传输速率有规定，内部延迟时间的最大值为75 ns，传输速率可达5 Mbps。

2.4 USB特性

USBFS在全速度模式下，输入和输出的电压、差分输入灵敏度、差分共模范围、输出电阻等都有一定的要求。例如，输入高电压（$V{IH}$）的最小值为2.0 V，输出高电压（$V{OH}$）在IOH = - 200 pA时为2.8至3.6 V。

2.5 ADC12特性

ADC12的频率范围为1至50 MHz，具有一定的分辨率、量化误差、偏移误差、满量程误差等特性。例如，在PCLKC = 50 MHz时，高 - 精度高速通道的转换时间为0.52 μs（采样13状态）。

2.6 DAC12特性

DAC12的分辨率为12位，在不同的输出模式（无输出放大器、有输出放大器）下，具有不同的积分非线性误差（INL）、差分非线性误差（DNL）和转换时间等特性。

2.7 TSN特性

温度传感器（TSN）的相对精度为±1.0 °C，温度斜率为4.0 mV/°C，在25 °C时的输出电压为1.24 V。

2.8 OSC停止检测特性

振荡停止检测电路的检测时间最大值为1 ms。

2.9 POR和LVD特性

电源复位（POR）和电压检测电路（LVD）有不同的电压检测级别和复位时间。例如，POR的电压检测级别在不同条件下为2.5至2.7 V，复位时间为4.5 ms。

2.10 闪存内存特性

2.10.1 代码闪存内存特性

代码闪存的编程和擦除时间与FCLK频率有关，不同的编程和擦除次数以及不同的块大小（128 - 字节、8 - KB、32 - KB）有不同的时间要求。例如，在FCLK = 4 MHz、NPECS = 100次时，128 - 字节的编程时间为0.75 ms。

2.10.2 数据闪存内存特性

数据闪存的编程、擦除和空白检查时间也与FCLK频率有关，不同的编程和擦除次数以及不同的块大小（4 - 字节、8 - 字节、16 - 字节等）有不同的时间要求。

2.10.3 选项设置内存特性

选项设置内存的编程时间和重编程周期有规定，重编程周期至少为20,000次。

2.11 串行线调试（SWD）

SWD的时钟周期时间、高脉冲宽度、低脉冲宽度、上升和下降时间以及数据设置和保持时间等都有要求。例如，SWCLK时钟周期时间的最小值为40 ns。

三、设计注意事项

3.1 静电放电（ESD）防护

在处理RA4E2时，必须采取措施防止静电放电对器件造成损坏。例如，使用加湿器保持环境湿度，避免使用易产生静电的绝缘体，将半导体器件存储和运输在防静电容器中，操作人员佩戴接地腕带等。

3.2 上电处理

上电时，产品的状态是未定义的。在成品中，从上电到复位过程完成之前，引脚状态是不确定的。因此，在设计中要确保复位信号的正确应用，保证系统在上电后能够稳定运行。

3.3 掉电状态下的信号输入

在器件掉电时，不要输入信号或I/O上拉电源，以免引起器件故障和内部元件的损坏。

3.4 未使用引脚的处理

未使用的引脚应按照手册中的说明进行处理，避免因引脚处于开路状态而引入额外的电磁噪声，导致器件内部产生直通电流和误操作。

3.5 时钟信号

在应用复位后，要确保操作时钟信号稳定后再释放复位线。在程序执行过程中切换时钟信号时，要等待目标时钟信号稳定。

3.6 输入引脚的电压应用波形

要注意防止输入噪声或反射波导致的波形失真，避免输入信号停留在$V{IL}$（Max.）和$V{IH}$（Min.）之间，以免引起器件故障。

3.7 禁止访问保留地址

保留地址是为未来功能扩展预留的，访问这些地址可能会导致器件无法正常工作。

3.8 产品差异

在更换不同型号的产品时，要确认产品的特性差异，如内部内存容量、布局模式等，可能会影响电气特性和系统性能。因此，需要进行系统评估测试。

四、总结

Renesas RA4E2 Group MCU以其强大的性能、丰富的外设和低功耗特性，为电子工程师提供了一个优秀的解决方案。在设计过程中，工程师们需要深入了解其各项特性和电气参数，严格遵守设计注意事项，以确保系统的可靠性和稳定性。同时，随着技术的不断发展，RA4E2在未来的电子设计中有望发挥更大的作用。你在使用RA4E2进行设计的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。