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连载 | 带你深入了解NXP汽车通用控制器S32K3 (四):硬件设计篇
来源:Arrow 发布:2022/03/21 浏览量:925

介绍S32K3硬件设计中需要注意的一些问题,包括电源设计、旁路电容、晶体、PCB Layout以及不同系列兼容性等。

今天将介绍S32K3硬件设计中需要注意的一些问题,包括电源设计、旁路电容、晶体、PCB Layout以及不同系列兼容性等。

 

电源设计

 

S32K3芯片需要外部来供给的电源一共有三种:VDD_HV_A、VDD_HV_B以及V15,其中VDD_HV_A和VDD_HV_B电平可以相同也可以不同,V15既可以通过外部NPN三极管产生也可以由外部SBC供给。

 

下面列出几种可供选择的电源方案:
  • VDD_HV_A = VREFH = VDD_HV_B = +5.0V,V15 = +1.5V(外部NPN三极管)

  • VDD_HV_A = VREFH = VDD_HV_B = +3.3V,V15 = +1.5V(外部NPN三极管)

  • VDD_HV_A = VREFH = VDD_HV_B = +5.0V,V15 =+1.5V (SBC)

  • VDD_HV_A = VREFH = VDD_HV_B = +3.3V,V15 =+1.5V (SBC)

  • VDD_HV_A = VREFH = +5.0V,VDD_HV_B = +3.3V,V15 = +1.5V(外部NPN三极管)

  • VDD_HV_A = VREFH = +5.0V,VDD_HV_B = +3.3V,V15 = +1.5V (SBC)

     

* 对于S32K312-172MQFP、S32K312/11-100MQFP和S32K311-48QFN,只有VDD_HV_A 电源域。

 

对于VDD_HV_A和VDD_HV_B,每一个引脚都应放置一个尽可能近的旁路电容(100nf-220nf),同时在电源入口的地方还应放置一个4.7uf-10uf的电容;对于V15,以及之前没有提到的V11、V25(内部产生,无需外部供给),每个引脚需要放置一个1nf以及100nf电容,另外V11、V15还需要外加一个2.2uf电容;V15如果是用NPN产生的话,需要确认所选NPN三极管型号能否满足系统最大功耗问题;对于VSS以及VREFL应该连接到同一个地平面;VDD_HV_A、 VDD_HV_B、以及V15还应满足上电以后上升时间的要求。

 

需要注意的是对于5V IO 和3.3V IO 的支持的最快翻转速度不一样的。VDD_HV_B电源域主要是Ethernet,QSPI SAI等高速IO 应用,如果配置到5V,速度会受一定影响。

 

V15主要是给内核供电。比起常规的MCU只有一个3.3或者5V然后内部LDO降压给内核供电(一般1.1V),K3单独一个V15就是为了减少压降,从而使内核更好地散热。如果不给V15供电,芯片也是可以工作的,但是只能工作在低功耗模式,如果需要内核正常全速工作,V15通过外部供给是必须的。

 

时钟设计

 

S32K3 包括以下几个时钟源:

  • 8 - 40 MHz Fast External Oscillator (FXOSC)

  • 48 MHz Fast Internal RC oscillator (FIRC)

  • 32 kHz Low Power Oscillator (SIRC)

  • 32 kHz Slow External Oscillator (SXOSC)

  • Up to 320 MHz System Phased Lock Loop (SPLL)

 

FIRC和SIRC属于内部时钟,硬件设计无需注意。对于外部时钟可以参考下图:

 

其中元器件参数可以参考所选晶体的说明。晶体与芯片之间连线应尽可能短,尽量不适用过孔。其他信号线,特别是时钟线、模拟信号线以及频繁开关的信号线尽量远离晶体。晶体下方应有一块完整地平面,同时晶体周围可以铺一圈地信号。最后一点晶体匹配电容接地点应尽量短并且最好对称布局。Layout可以参考下图。

 

调试接口设计

S32K3调试接口采用标准的JTAG接口,如下图所示。

 

对于实际使用,可以使用下图中SWD模式,这样可以使得调试接口所需引脚更少,电路更加简单。

 

未使用的引脚处理

 

未使用的引脚可以按照下表中的建议进行处理:

 

Layout 建议

 

1.  信号线建议

 

直角的走线会引起更多的辐射,同时直角区域的寄生电容会增加,阻抗特性也会改变,阻抗的改变会产生信号的反射,因此走线应避免直角,可以通过两个45°角来代替,如下图所示:

 

2.  地信号建议

 

为避免串扰,两层信号层之间建议加一个地平面层;高速信号应位于一个完整的地平面上;如果高速信号需要通过过孔来改变走线层,过孔旁边应放置一个地过孔;地平面不要分割为模拟地、数字地以及电源地,应该铺成一个完整连续的地平面;避免出现浮铜,浮铜需要用多个过孔与地平面相连,如下图所示:

 

EMI/EMC以及ESD

 

EMI可以有多个产生源,PCB、连接器、线缆等。其中PCB是最主要的产生源,PCB的EMI可以来自于很多方面:信号线的数字信号、电流回环区域、不合适的电源滤波系统、传输线效应、没有足够的电源和地平面、采用PWM方式控制的电源等。每个板子或者系统在EMI/EMC以及ESD方面的问题都会不一样,需要单独考虑。但是我们有一些通用的注意事项可以减少一些不必要的电磁干扰:

  • 确保电源设计与实际的应用相匹配并且采用最优的去耦电容

  • 电源端提供合适的滤波电容,滤波电容的等效电感应尽量低

  • 走线层空间足够的话,铺一些地平面,并把这些地平面通过过孔连接到地平面层

  • 电流回路尽可能小,并添加尽可能多的去耦电容

  • 保证高速信号远离其他信号,特别是远离输入输出端口或连接器

 

S32K3芯片所有引脚内部都内置了ESD保护二极管,规格可以参考芯片datasheet的相应章节。

 

PCB层叠设置

 

NXP官方给出了不同层数PCB的推荐设置,如下图所示

 

不过,对于非BGA封装的S32K3芯片,其实4层板是完全足够进行设计的,层叠设置如下图所示:

 

兼容性设计

 

S32K3系列有很多不同的型号,相同封装不同型号芯片的引脚定义基本一致,但是如果您设计的产品希望能够兼容不同型号的话,还是有一些地方需要注意。

 

首先,可以看下面这个列表:

 

如果颜色相同的话,就表示引脚定义完全一致;如果颜色不一样的话,就表示引脚定义不一样。

 

对于100MQFP封装的型号,大家可以参照下表。设计时,把以下引脚通过0欧电阻进行进行兼容设计即可。

 

对于172MQFP封装的型号,大家可以参照下表:

 

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