白电主控升级芯片SS523A(SH30F9801)的核心技术
集成恒流驱动功能的芯片ss523a(sh30f9801)的研发和应用
摘要：白色家电厂商希望用尽可能少的mcu,去实现以前多颗mcu实现的功能。比如最好一颗mcu实现控制，触摸，显示等功能。同时该mcu能完成多个不同项目的开发。所以对于mcu资源要求更大，cpu平台更通用;这样有利于研发管理和效率提升，同时在一定程度上可以节省bom的成本。白电主控升级芯片ss523a(sh30f9801)非常符合预期，产品采用m0+内核，具有高集成度。
1 引言
随着技术的不断进步，各种智能家电的功能也越加复杂。为了实现这些复杂的功能往往需要采用更多的硬件电路或者专用芯片。这就导致应用开发时的难度增高，同时物料（bom）成本也会增加。为了迎合智能家电的市场，针对智能家电的技术特点，本文提出了一种集成资源丰富的mcu，可降低能家电项目的开发难度，减少项目bom成本。
2 ss523a主处理器的架构
ss523a采用通用的m0+内核，产品走高集成化技术路线，内置了4个可编程计数器阵列（pca）和4个16位pwm定时器模块，集成了一个12位多通道高速模拟数据转换器（adc），集成了16路恒流驱动，集成了32路触摸按键检测模块，使其应用范围更加广泛[1][2]。其架构如图1所示。
图1 ss523a主处理器的架构
3 ss523a(sh30f9801)核心技术
3.1 集成触摸检测模块
触摸按键由于其能够使产品外观更加美观，易于清洁，更具科技感，在白色家电领域中已经全面应用，成为了白色家电产品升级的必要需求。ss523a作为白色家电主控芯片，其芯片内部集成了触摸检测模块。该触摸检测模块具有高灵敏度，高抗干扰的特性，是该芯片的核心技术之一。
ss523a触摸检测模块主要由多路选择器（input control）、校准电路（compensation circuit）、数据采集及滤波电路组成（acquisition module/filtering）[1][2] [3]。如下图2所示为ss523a触摸检测模块原理示意图。
图2 触摸原理示意图
上图中：cyn代表触摸检测通道n的等效寄生电容，cs为触摸检测模块内部的校准电容；rs代表内部可变抗干扰电阻。
该模块无需外接电容即可实现触摸检测功能，其具体检测过程如下：
ø 第一步：对内部校准电容cs进行充电至vdd（芯片供电电压），对检测通道寄生电容cyn进行放电至0v；
ø 第二步：将检测通道与内部校准电路连通（即将cyn、cs连通）。内部校准电容cs将给cyn放电至电荷平衡；
ø 第三步：将检测通道和内部校准电路与内部电压采集电路连通（即将cyn、cs与采集电路中的灵敏度电容cf相连）。cyn、cs与采集电路中的cf进行充放电，至电荷平衡，电压维持在vout；
ø 第四步：通过adc模数转换器采集最终的平衡电压(vout)；
ø 第五步：通过滤波电路对adc转换结果进行硬件滤波处理。
当感应按键处于无触摸状态时，通过调节内部校准电容cs的值使其与通道外部寄生电容cyn达到平衡的状态，此时输出电压vout将维持在固定值附近。当手指触摸在感应按键上时，由于手指等效电容cfinger的加入，检测通道的等效电容增大至cyn + cfinger，获得的电荷量将增多，cyn + cfinger、cs、cf充放电平衡时cf电压vout将增大，从而adc（模数转换器）采样值会变大，依此可以检测出手指按下的动作[1][2]。图3给出了触摸前后电压变化图。
图3：触摸与非触摸输出电压变化
同时针对该触摸模块的特性，ss523a提供了将检测结果vout转变为实际稳定输出的按键值的算法[4]。如图4所示为触摸算法框图。
图4：触摸算法框图
3.2 集成改进型恒流发光二极管（led）驱动器
显示的多样性作为白色家电升级的必要需求，对led驱动电流的精度控制和稳定性控制有了更高的要求，传统的led驱动都是通过电阻调节电流的，精度较差。当然，也有采用恒流驱动的方式，但其特性会随着温度和负载变化发生交大的变化。ss523a作为白色家电主控芯片，芯片内部集成了一种改进的恒流led驱动模块，精度高，基本不受负载和温度的影响[5]。
图5：现有技术中的一种led恒流源驱动电路原理图
传统的恒流驱动电路[6]如图5所示：包括基准电压源、高增益运放、r0、pmos(p沟道型绝缘栅场效应管)镜像单元构成，seg口连接led负载串。基准电压源连接到运放的反向端，r0以及po3的漏端接入运放的正向端，运放的输出端接po1的栅极。vref、op1、po1、po3、r0构成电压电流转换网络；po1/po2构成电流镜像单元，po1/po3、po2/po4均为cascode结构（共源共栅结构），增大电流源的输出阻抗为：
式中：gm4 - 表示mos管（绝缘栅场效应管）po4的跨导，即栅压控制电流大小的能力；gmb4 - 表示mos管po4的跨导，即衬底电压和源端不共点vbs衬偏效应影响mos导电能力；ro4- 表示mos管po4的导通阻抗；ro2 - 表示mos管po2的导通阻抗。
po2/po4构成的cascode对po2起到屏蔽作用，减弱输出电压对po2漏端电压的影响，其屏蔽效果为：
这种方式保证了输出电流不受输出电压影响，提高恒流源精度。
但图5的结构存在以下问题：（a）当输出电压vseg变大时，po4管的vds（漏源电压）变小，po4易进入线性区，po4对po2的屏蔽效果变差，vd2易受vseg电压变化，导致输出电流随输出电压变化，恒流源精度降低；（b）seg口上负载电流较大，一旦po4进入线性区，po4的尺寸会比较大，增加芯片面积；（c）输出功率管po2为pmos管，较nmos(n沟道型绝缘栅场效应管)驱动能力弱，同等驱动能力下，面积较nmos大，d）r0一般为集成电阻，随温度变化较大，导致恒流源输出的温度效应差。
图6：现有技术中的另一种led恒流源驱动电路原理图
为了解决图5中 pmos管作为功率管驱动能力弱、大负载电流下芯片面积大的问题，图6采用nmos作镜像单元为负载提供恒流输出[7]。电压基准vref、高增益运放op1、mn0、p1、p3构成电压电流转换网络；po1、po2构成电流镜像单元，po1、po3、po、po4构成cascode结构，p2、p4的作用为将基准电流由pmos电流镜折入nmos电流镜，最终由功率管no2输出负载电流。此架构nmos作为功率管，由于其驱动能力强、所需管子尺寸较小，大负载电流下节约芯片面积，解决了图5中的（c）的问题。但相比于图5多了一级镜像结构，额外引入一级失配，且图5的（a）、（b）、（d）问题依然存在。
图7：ss523a采用的恒流源驱动电路原理图
ss523a项目采用一种不受负载电压、温度等变化且芯片面积较小的高精度恒流源电路。如图7所示，不同于传统led恒流驱动电路，此架构中电压电流转换电路产生的基准电流直接通过nmos镜像网络给led提供驱动电流，不需要中间一级pmos镜像网络，且nmos驱动能力强，大负载电流下芯片面积小；输出电压反馈网络使恒流源输出基本不随负载电压变化；温补电流源部分减小了集成电阻温漂对恒流源的影响，使恒流源的输出电流基本不受温度变化[5][8]。
电路具体工作原理如下：
基准电压r1、r2、op1、no1、nc1、r构成的电压电流转换网络，其中串联的r1对电源分压后接入运算放大器的反向端，运放放大器的同向端接两个r2的公共端，运算放大器的输出接no1/no2的栅极，no1的漏极接nc1的源极，nc1的漏端接右侧r2另一端及r的一端，r的另一端接电源电压，左侧r2另一端接电压基准源。no1、no2构成电流镜单元，no2漏极接nc2源极及负载led串，nc2栅极、漏极短接并同nc1栅极及温补电流源io相连。
根据高增益运放op1正向输入端和反向输入端的‘虚短’的特性，vp = vn = vdd/2，v1点的电压为：v1 = vdd- vref，流经r的电流：i1 = vref/ r，流经r2的电流：i2 = (vdd –2 * vref)/(2 * r2)，流入no1的电流为：iref = i1 - i2 = vref/r - (vdd-2vref)/ (2*r2)，假设r2 >>r，iref≈ vref/ r；此基准电流可直接经过nmos镜像网络给负载提供电流驱动，负载电流较大时，采用nmos作功率管芯片面积较小，且无图6中间一级pmos镜像网络引入的失调误差。
nc1、nc2、温补电流源io构成输出电压反馈网络，nc1为源极跟随器，使vd = vout，镜像单元no1、no2无论工作在饱和区还是线性区，no2均可精准复制iref电流，即恒流源的输出电流基本不受输出电压变化。
由于集成电阻r具有一定的温度系数，导致iref会随着温度而变化，温补电流源模块会生成同iref温度变化趋势相同但斜率为iref斜率n+1倍的电流源，抵消r0随温度变化导致的恒流源变化，减弱温度效应对恒流源的影响。从而解决了传统led恒流源驱动电路存在的输出电流随温度变化的问题。
4 ss523a在白色家电应用的优势
ss523a芯片在白色家电的面板控制应用中有很大的优势，可以有效减少bom（物料清单）的成本。如下图8所示，之前控制面板需要3颗mcu；一颗主控mcu,一颗触摸专用芯片，一颗恒流驱动芯片。图9为ss523a的控制方案，新的控制方案只需要1颗mcu。同时，ss523a 采用m0+内核，最大支持62个io，flash大小128k，28个ad口，支持uart/spi/i2c多种通讯协议，支持多路pwm控制等，可以满足各种白色家电的控制，例如空调，冰箱，洗衣机等，都可以采用该芯片作为开发平台。
图8：白色家电控制面板传统的控制示意图
图9：ss523a方案家电控制面板控制示意图
5 结束语
ss523a作为一颗白色家电升级的芯片，非常符合目前白色家电厂商的需求，具有广阔的应用前景。大资源，高集成度是家电控制芯片未来持续发展的方向。
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2 ss523a主处理器的架构
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上图中：cyn代表触摸检测通道n的等效寄生电容，cs为触摸检测模块内部的校准电容；rs代表内部可变抗干扰电阻。
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ø 第一步：对内部校准电容cs进行充电至vdd（芯片供电电压），对检测通道寄生电容cyn进行放电至0v；
ø 第二步：将检测通道与内部校准电路连通（即将cyn、cs连通）。内部校准电容cs将给cyn放电至电荷平衡；
ø 第三步：将检测通道和内部校准电路与内部电压采集电路连通（即将cyn、cs与采集电路中的灵敏度电容cf相连）。cyn、cs与采集电路中的cf进行充放电，至电荷平衡，电压维持在vout；
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图6：现有技术中的另一种led恒流源驱动电路原理图
为了解决图5中 pmos管作为功率管驱动能力弱、大负载电流下芯片面积大的问题，图6采用nmos作镜像单元为负载提供恒流输出[7]。电压基准vref、高增益运放op1、mn0、p1、p3构成电压电流转换网络；po1、po2构成电流镜像单元，po1、po3、po、po4构成cascode结构，p2、p4的作用为将基准电流由pmos电流镜折入nmos电流镜，最终由功率管no2输出负载电流。此架构nmos作为功率管，由于其驱动能力强、所需管子尺寸较小，大负载电流下节约芯片面积，解决了图5中的（c）的问题。但相比于图5多了一级镜像结构，额外引入一级失配，且图5的（a）、（b）、（d）问题依然存在。
图7：ss523a采用的恒流源驱动电路原理图
ss523a项目采用一种不受负载电压、温度等变化且芯片面积较小的高精度恒流源电路。如图7所示，不同于传统led恒流驱动电路，此架构中电压电流转换电路产生的基准电流直接通过nmos镜像网络给led提供驱动电流，不需要中间一级pmos镜像网络，且nmos驱动能力强，大负载电流下芯片面积小；输出电压反馈网络使恒流源输出基本不随负载电压变化；温补电流源部分减小了集成电阻温漂对恒流源的影响，使恒流源的输出电流基本不受温度变化[5][8]。
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基准电压r1、r2、op1、no1、nc1、r构成的电压电流转换网络，其中串联的r1对电源分压后接入运算放大器的反向端，运放放大器的同向端接两个r2的公共端，运算放大器的输出接no1/no2的栅极，no1的漏极接nc1的源极，nc1的漏端接右侧r2另一端及r的一端，r的另一端接电源电压，左侧r2另一端接电压基准源。no1、no2构成电流镜单元，no2漏极接nc2源极及负载led串，nc2栅极、漏极短接并同nc1栅极及温补电流源io相连。
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nc1、nc2、温补电流源io构成输出电压反馈网络，nc1为源极跟随器，使vd = vout，镜像单元no1、no2无论工作在饱和区还是线性区，no2均可精准复制iref电流，即恒流源的输出电流基本不受输出电压变化。
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图8：白色家电控制面板传统的控制示意图
图9：ss523a方案家电控制面板控制示意图
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