英飞凌驱动器系统给微控制器子系统带来挑战

推进权力的限度

小型化是推动微控制器到更小的封装，提高了性能。作为控制器核变小采用先进的硅制造工艺，有更多的机会增加外围设备和降低设备的尺寸。与此同时，从更高的性能，附加外围设备和增加的漏电流功率消耗增加，带动热要求。

所有这一切造成时钟速度，电压和包装技术的一个很好的平衡以提供最佳的性能在小型化的系统的微控制器。管理在微控制器的功率是在维持温度包络线之内的系统，而不必使用主动冷却，例如风扇，以减少在嵌入式系统中的可靠性的一个关键因素。

而被动冷却如热管可以用来输送热量从散热片到冷却散热片，这增加了系统的尺寸和否定的处理的小型化。因此，在控制器的电力的管理和处理是在整个系统的小型化的一个关键因素。

控制器成为越小，越焦点是在包装和系统的热特性。移动到一个芯片级封装允许新的热管理技术，可用于诸如热涂料。这是由作为硅管芯往往做得更薄，以减少漏电流和电容更必要的，但此降低了热贮存器可用的和可能使模具更容易与热失衡开裂。

在美国的ARPA研究机构有一个热管理技术（TMT）计划，正在探索和优化纳米材料，使他们能够在热管理系统中使用。它正在热接地平面（TGP）技术与使用热管的两相冷却，以取代传统系统中的铜合金吊架，以提高冷却，而无需改变该系统的设计的高性能散热器。

该方案还期待通过减少通过散热器到环境的热阻，通过该系统增加对流，提高散热翅片的热导率，优化和/或重新设计所述互补散热器鼓风机，和增加，以提高空气冷却热交换器性能总体系统系数。

在同一时间，在nanothermal接口（NTI）项目正在寻找新的材料和结构，可以在电子设备的背面与封装的下一层之间的热界面层的热电阻提供显著减少，这可能是一个吊具或散热器。

这是为了避免需要用于热基材如陶瓷材料，其可以是昂贵的。

有迹象表明，可以在微控制器中实现，以保持电力系统的温度包络线之内的各种技术。降低了系统的电压降低了功率，而当他们在不使用关掉各个块中的器件的能力有利于减少热活性。类似地降低时钟频率以匹配处理要求和加入时钟选通关掉周边块还有助于管理电源。

这显示在恩智浦最新的微控制器，该LCP54102，它与处理器的组合解决电源问题。超低功耗32位ARM 100 MHz的的Cortex-M0 +内核工作在55μW/ MHz的功耗管理外围设备和监控系统，具有较大的100 MHz的ARM Cortex-M4处理器的复杂的算法处理。在3.3×3.3毫米芯片采用了90纳米制程与256 KB闪存和104 KB SRAM，模数转换器，计时器和数字接口。

恩智浦的咖啡发展局的图像

图1：恩智浦的咖啡发展局与LCP54102微控制器。

所有这一切都旨在减少电池供电的传感器融合的应用程序的总体功耗，因为电压是0.85V，和1.35 V的自动调整，以匹配不同频率的每个取决于功率轮廓的处理器核心设置。这些功率分布是在与一个API来容易地管理芯片和芯的频率和睡眠模式的所有外围设备的ROM中，但这些也可以直接调节。无论是设置和API是通过咖啡发展局访问。然而，包装和系统设计必须考虑到该装置的最大功耗。而平均功率可能会降低，并且在空闲模式中使用的功率也低，峰值功率具有与散热器和方式来移动热量远离核心处理器被容纳。

一个例子是由飞思卡尔半导体为其的Kinetis KL03处理器，其测量刚刚1.6×2.0毫米开发的晶圆级芯片尺寸封装（CSP）。

飞思卡尔的芯片级封装图片

图2：飞思卡尔的芯片级封装的的Kinetis KL03微控制器。

该KL03 CSP（MKL03Z32CAF4R）减小了电路板空间，同时集成的功能，如低功耗（LP）UART接口，SPI，I²C，模拟 - 数字转换器（ADC）和LP定时器支持低功耗模式下操作，而不会醒来包括核心一起ARM的Cortex-M0 +内核。

单周期的高速I / O访问端口，可以有效位模拟和软件协议仿真，保持一个8位的“外观和感觉”，同时保持功耗降低，以及多个灵活的低功耗模式，包括新的计算时钟选项通过将外设以异步停止模式降低了动态功耗。

飞思卡尔的Kinetis KL03图3框图的形象：的Kinetis KL03的框图 - 外周块可以单独控制，以尽量减少热分布。

其结果是，所述的Kinetis KL03 CSP消耗35％较PCB面积但比其它设备的60％以上的GPIO。这使设计人员能够大幅降低其电路板尺寸不影响最终产品的性能，功能集成和功耗，但仍强调需要良好的热管理。

飞思卡尔的自由开发板与KL03控制器：飞思卡尔的自由开发板图4图像。

通过收购Energy Micro公司的，Silicon Labs公司目前有一系列的高能量的微控制器。与32位的ARM Cortex-M0 +内核，创新的低能量的技术，从节能模式短唤醒时间，和多种选择外设的组合，所述EFM32ZG微控制器的目的是低能量的设计。

在单片机的一个关键因素是能源管理单元（EMU）管理所有的低功耗模式（EM）的微控制器。每个能量模式管理如果CPU和各种外围设备都可用。该块还可以用于关闭电源到未使用的SRAM模块。此链接到时钟管理单元（CMU），其控制芯片上的振荡器和时钟，接通和断开的时钟逐个向所有外设模块除了启用/禁用和配置可用振荡器。的高度灵活性使得软件通过不浪费电源外设和振荡器处于非活动状态，以尽量减少任何特定应用的能耗。

从Silicon Labs公司的EFM32ZG低功耗微控制器：来自Silicon Labs的图5 EFM32ZG低功耗微控制器的图像。

使用ARM的Cortex-M0内核的微控制器的另一个系列是英飞凌科技公司的XMC1000。这是通过使用一个65纳米制造工艺以克服当今8位设计的局限性，与快闪存储器缩放从8 KB到200字节。所述XMC1200线设有外围设备以进行LED照明和人机界面的设计，并且XMC1300系列涉及的马达控制或数字功率转换应用的实时控制的需要。由于家庭的目的是更换控制器的8位设计，使包装在16和38引脚塑料TSSOPs，有更多的散热考虑。这些可以与深睡眠模式来解决关闭在使用该芯片的时候不行。

从英飞凌图6 32位XMC1000图片：英飞凌32位XMC1000意在取代设计的8位控制器，必须要考虑散热问题。

英飞凌XMC1000发展体系：XMC1000开发系统由英飞凌图7形象。

结论

该驱动器系统的小型化带来了微控制器子系统的散热设计和管理方面的挑战。这可以用新的热管和封装技术来完成，以补偿增加的功耗，并且还与更复杂的电源管理技术。能够使用的系统软件来控制时钟信号和电压至各外围块以及控制器核心还可以帮助降低功耗，使硅在现有，或甚至更小的芯片级封装有效地运作。这有助于平衡减少芯的尺寸和封装的系统的热需求的竞争性需求。