博世PMIC CS600电源管理芯片技术分析

随着汽车电子智能化程度的不断提高，智能驾驶（ADAS）、智能座舱、中央网关以及域控制器等产品越来越普及，相应地对功能安全的需要也逐步提高。

电源管理芯片作为汽车电子系统中的核心器件，其性能直接影响到整个系统的性能和稳定性。

博世推出的PMIC芯片—— CS600，就能很好地满足了功能安全合规性的应用需求。CS600可为系统提供完整的电源解决方案，包括μC、SoC以及相关外设的供电。

如图1 CS600 结构框图所示，它除了具有丰富的电源资源外，还配置了GPIO，ADC以及SPI等辅助单元，实现了独立又多样的监控保护，为产品的高功能安全等级提供了保障。

图1 CS600结构框图

博世PMIC CS600的主要特性如下

• 1x同步5V初级Buck变换器 (SR5)

• 1x 外接FET预升压/升压变换器 (SRP)

• 宽输入电压范围：3.2V – 36V

• 4x集成半桥FET的可编程降压变换器 (SMPS)

• 4x 可编程 LDO线性稳压器

• 2x 降压变换器，内带3个双栅极驱动器 (DGD SMPS) ，支持多相组合/可编程

• 所有电源轨具有单独可编程的上/下电时序

• 具有SPI通讯接口

• 宽工作结温范围：-40°C 至 150°C

• AEC-Q100 1 级汽车认证，支持构建ASIL-D的系统

• OTP 存储器，存储用户配置

• 采用双排 QFN-96 封装，尺寸缩小至10x10mm²

从PMIC的特性可以看出，CS600 提供了多至11路的电源轨道，输出总功率达到35W。CS600采用的是可编程可配置的系统构架，开放给用户非常多的设置空间，包括电源轨的选用、输出电压的设置，电源轨的时序、ADC、GPIO以及错误管理器的设置等，使得对CS600的功能使用有很大空间和灵活性。

以下按照具体功能单元进行介绍：

电源轨道资源

1. 预变换器

•  降压变换器 SR5

宽输入电压范围：5.5V – 36V，典型输出电压为5.0V，最大允许负载电流为7A。用于为ECU或SoC中的5V负载供电，以及为内部SMPS、LDO和DGD单元提供输入电源。SR5典型开关频率为480kHz或通过设置寄存器扩频，具有短路保护和软启动功能。

•  预升压/升压变换器 SRP

当VBat过低时，SRP可作为预升压变换器使用，抬高输入电压后再输出给SR5使用。即扩展PMIC的输入电压范围。SRP也单独作为升压转化器使用，由SR5 5V或VSUP/VBat供电，输出6V至12V。SRP典型开关频率也为480kHz，同时具有过流保护和软启动功能。

2.电源轨

•  电源轨的通用特性

(1)  输出电压Vout可编程，包含两个量程和步长，以提高相对精度。

Vout = 1.64V – 3.825V @ 7.5mV step

Vout = 0.7V – 1.64V @ 3.2mV step

(2)  每路电源都支持软启动

(3)  所有集成输出级（LDOx / SMPSx）均具有短路保护

(4)  所有电源轨具有单独可编程的上/下电时序

(5)  电源轨之间可编程相移

(6)  可编程补偿网络与电流限制参数

•  4路 半桥降压变换器 (SMPS)

SMPS1, 2 输出电流 <= 1A，SMPS3, 4 输出电流 <= 2A，Fswitching~1.9MHz

•  4路 线性稳压器 (LDO)

LDOx 输出电流 300mA (Peak: 500mA) 

•  2路 降压变换器 (DGD SMPS)

如图2所示，DGD 降压变换器由3个双栅极驱动器DGD1、DGD2、DGD3以及两路变换器DGDR1和DGDR3组成。

图 2 DGD 降压变换器结构框图

其中DGDR1可以配置为单相、双相或三相输出模式。三相最大输出电流可达15A（每相5A）。具体输出配置组合见下表1。

表1 DGD 降压变换器驱动配置表

电轨时序配置

以预定的顺序控制电轨上下电可以防止意外供电，避免浪涌冲击，功率尖峰等伤害μC、SoC的意外情况发生。CS600 能够对所有电源轨的行为进行时序配置。

图3 时序图中VREG时序器的处理过程

一个完整的时序可由多至15个片段组成。Voltage Regulator Sequencer（VREG 时序器）将从第一个片段开始处理，按顺序依次完成整个序列，如图3所示。

每个片段可以开启或关闭任何一路或多路电轨，或控制某路GPOx输出。VREG 时序器在处理下一个片段之前，会等待设定的触发条件的满足，如PWGood信号，一段设定的时间，或GPIx触发的高电平。

当所有条件满足时，则该段进入评估状态，检查处理过程是否超时。如触发条件均满足且不超时，则评估为通过进入到下一片段。如有超时则评估失败，并报告错误管理器。

表2 时序片段中具体行为的设定参数

辅助资源

1. GPIO

CS600 有7个可配置的通用I/O引脚。除了默认的输入和输出功能以外，还可以配置成其他的复用功能。

2.12-bit ADC

CS600设有4路用于外部测量的ADC通道ADC_CH1…ADC_CH4。其中ADC_CH4能够通过外部多路复用器再扩展出4路通道，由GPIO引脚进行通道选择，结构如图4所示。而内部的ADC则主要负责对电源轨的输出电压监测，2个片上温度传感器和VBat的测量。

图4 ADC 扩展通路结构图

功能安全策略

功能安全的目的是为了保障系统始终工作在安全、正常的状态下。为了实现这个目标CS600采用了非常严苛的安全保护策略，与相关的独立监测单元，以实现芯片与系统的高安全等级。目前该PMIC可构建功能安全等级ASIL-D的系统。

1. 电轨监控

•  CS600 具有独立的电压监控功能，监控所有电源轨（SRP / SR5 / SMPSx / DGDx / LDOx）的过压OV或欠压UV状态。

•  为每一路电轨（SRP / SR5 / SMPSx / DGDx / LDOx）设计了过流保护电路。

•  在SMPSx /LDOx电轨内还增加了温度监测单元，当温度超过阈值时，将关闭该变换器以防止高温造成的芯片损坏。

•  在时序处理过程中，对每个片段进行超时监控，如发生超时则报告错误并停止序列，以防止不正常的轨道上电行为。

2. 确认系统SoC 或 MCU 的正确行为

•  CS600 采用 “质询-响应” 看门狗，当发出请求后，SoC 或μC必须在定义的时间窗口内获取并正确响应请求。看门狗检查是否在定义的时间窗口内收到响应以及响应的值是否正确。

•  SPI物理数据传输通过两种方式保护：循环冗余校验 (CRC), 传输过程对时钟边沿计数。

3. 错误管理与处理

错误管理单元的任务是评估监控信号，存储错误信息并触发错误处理响应。错误管理单元分为错误评估、错误报告和错误处理3个阶段，如图5所示。

图5 错误管理单元结构图

针对每个错误的处理响应都是单独定义的。一般可通过激活NSTPx Pin 或 NRESET Pin 以及更改系统状态来实现。其中NSTPx 是CS600 专门提供的两个开漏安全引脚 NSTP0 和 NSTP1，由系统安全单元控制。

4. 其他

CS600包含两个独立的温度传感器。如监测温度连续超过阈值，将实行关机处理。

电源管理芯片作为汽车电子系统中的核心器件，CS600 在满足电轨资源、电流能力的基础上，能够灵活配置，为用户的汽车电子系统提供更高功能安全等级的保障。

CS600是现在以及将来，μC、SoC系统供电解决方案的一种很好的选择。

审核编辑：黄飞