NXP K20 系列芯片技术解析：特性、参数与设计要点

引言

在电子设计领域，选择合适的芯片对于项目的成功至关重要。NXP 的 K20 系列芯片以其丰富的功能和良好的性能，在众多应用场景中得到广泛应用。本文将深入剖析 NXP K20 系列芯片的相关技术细节，为电子工程师们在设计过程中提供有价值的参考。

文件下载：MK20DN512ZVMD10.pdf

一、K20 系列芯片概述

K20 系列芯片属于 NXP Freescale 半导体旗下产品，支持 MK20DX256VMC10、MK20DN512VMC10 等型号。它具有以下显著特点：

1. 宽电压与温度范围
   • 工作电压范围为 1.71 至 3.6 V，无论是低功耗应用还是对电压要求较高的场景都能适用。
   • 闪存写入电压范围同样为 1.71 至 3.6 V，确保了数据写入的稳定性。
   • 环境温度范围为 -40 至 105°C，可适应较为恶劣的工作环境。
2. 高性能处理能力：采用 ARM Cortex - M4 内核，最高主频可达 100 MHz，且支持 DSP 指令，每 MHz 能提供 1.25 Dhrystone MIPS 的处理能力，为复杂算法和任务的执行提供了有力保障。
3. 丰富的存储资源
   • 非 FlexMemory 设备最高配备 512 KB 程序闪存，FlexMemory 设备则有最高 256 KB 程序闪存和 256 KB FlexNVM，以及 4 KB FlexRAM。
   • 还提供最高 128 KB 的 RAM，满足不同应用对数据存储和处理的需求。
   • 具备串行编程接口（EzPort）和 FlexBus 外部总线接口，方便进行程序加载和外部设备扩展。
4. 多样化的时钟源
   • 拥有 3 至 32 MHz 晶体振荡器和 32 kHz 晶体振荡器，为不同模块提供稳定的时钟信号。
   • 配备多用途时钟发生器，可灵活配置系统时钟。
5. 众多系统外设
   • 支持多种低功耗模式，能根据应用需求进行电源优化，延长设备续航时间。
   • 具备内存保护单元，提供多主保护功能，增强系统的安全性和稳定性。
   • 16 通道 DMA 控制器，支持多达 63 个请求源，提高数据传输效率。
   • 设有外部看门狗监视器和软件看门狗，防止系统出现异常。
   • 低泄漏唤醒单元可在低功耗状态下快速唤醒系统。
6. 安全与完整性保障
   • 硬件 CRC 模块支持快速循环冗余校验，保证数据传输的准确性。
   • 每颗芯片拥有 128 位唯一识别码（ID），提升系统的安全性。
7. 人机交互接口
   • 低功耗硬件触摸传感器接口（TSI）可实现触摸操作，为设备增添交互功能。
   • 提供通用输入/输出接口，方便连接各种外部设备。
8. 丰富的模拟模块
   • 配备两个 16 位 SAR ADC，可实现高精度的模拟信号采集。
   • 每个 ADC 集成可编程增益放大器（PGA），增益最高可达 x64，提高信号处理能力。
   • 包含两个 12 位 DAC，用于模拟信号输出。
   • 有两个跨阻放大器和三个模拟比较器（CMP），每个 CMP 包含 6 位 DAC 和可编程参考输入，还设有电压参考模块。
9. 多种定时器
   • 可编程延迟块可实现精确的时间延迟。
   • 八通道电机控制/通用/PWM 定时器、两个 2 通道正交解码器/通用定时器、周期中断定时器、16 位低功耗定时器、载波调制发射器和实时时钟，满足不同定时和控制需求。
10. 广泛的通信接口
    • USB 全/低速 On - the - Go 控制器，带有片上收发器，方便进行 USB 通信。
    • 两个 CAN 模块，适用于汽车电子等领域的通信。
    • 三个 SPI 模块、两个 I2C 模块、六个 UART 模块、安全数字主机控制器（SDHC）和 I2S 模块，满足不同通信协议的需求。

二、订购与识别

2.1 订购信息

若需订购 K20 系列芯片，可访问 freescale.com 网站，搜索 PK20 和 MK20 相关设备编号，以获取有效的可订购部件编号。

2.2 部件识别

芯片的部件编号具有特定格式：Q K## A M FFF R T PP CC N，各字段含义如下：	字段	描述	值
Q	认证状态	M（完全合格，通用市场流通）、P（预认证）
K##	Kinetis 系列	K20
A	关键属性	D（Cortex - M4 带 DSP）、F（Cortex - M4 带 DSP 和 FPU）
M	闪存类型	N（仅程序闪存）、X（程序闪存和 FlexMemory）
FFF	程序闪存大小	32（32 KB）、64（64 KB）、128（128 KB）、256（256 KB）、512（512 KB）、1M0（1 MB）、2M0（2 MB）
R	硅修订版	Z（初始版）、A（主版本后的修订版）、（空白）（主版本）
T	温度范围（°C）	V（ - 40 至 105）、C（ - 40 至 85）
PP	封装标识符	FT（48 QFN，7 mm x 7 mm）、LH（64 LQFP，10 mm x 10 mm）等多种选择
CC	最大 CPU 频率（MHz）	5（50 MHz）、7（72 MHz）、10（100 MHz）、12（120 MHz）、15（150 MHz）
N	封装类型	R（卷带包装）、（空白）（托盘包装）

例如，MK20DN512ZVMD10 就是一个具体的部件编号示例。

三、术语与准则

3.1 操作要求

操作要求是指在芯片运行过程中，为避免错误操作和可能缩短芯片使用寿命，必须保证的技术特性的指定值或值范围。例如，VDD（1.0 V 核心电源电压）的操作要求为 0.9 至 1.1 V。

3.2 操作行为

操作行为是指在满足操作要求和其他指定条件的情况下，芯片技术特性在运行过程中保证的指定值或值范围。如数字 I/O 弱上拉/下拉电流 IWP 的操作行为，最小为 10 μA，典型值为 70 μA，最大为 130 μA。

3.3 属性

属性是指无论是否满足操作要求，芯片技术特性都能保证的指定值或值范围。例如，数字引脚的输入电容 CIN_D 为 7 pF。

3.4 额定值

额定值是指技术特性的最小或最大值，超过该值可能导致芯片永久性损坏。分为操作额定值（芯片运行时适用）和处理额定值（芯片未通电时适用）。例如，VDD（1.0 V 核心电源电压）的操作额定值为 - 0.3 至 1.2 V。

3.5 准则

在设计过程中，应遵循以下准则：

• 绝对不能超过芯片的任何额定值。
• 在正常运行时，不要超过芯片的任何操作要求。
• 若在非正常运行时（如电源排序期间）必须超过操作要求，应尽量缩短持续时间。

  3.6 典型值

  典型值是指技术特性的指定值，它位于操作行为指定的值范围内，在满足典型值条件或其他指定条件时，能代表该特性在运行中的情况。典型值仅作为设计参考，不进行测试和保证。例如，数字 I/O 弱上拉/下拉电流 IWP 的典型值为 70 μA。

四、额定参数

4.1 热处理额定值

符号	描述	最小值	最大值	单位	备注
TSTG	存储温度	- 55	150	°C	根据 JEDEC 标准 JESD22 - A103 确定
TSDR	无铅焊接温度		260	°C	根据 IPC/JEDEC 标准 J - STD - 020 确定

4.2 湿度处理额定值

MSL（湿度敏感度等级）为 3，根据 IPC/JEDEC 标准 J - STD - 020 确定。

4.3 ESD 处理额定值

符号	描述	最小值	最大值	单位	备注
VHBM	人体模型静电放电电压	- 2000	+ 2000	V	根据 JEDEC 标准 JESD22 - A114 确定
VCDM	带电设备模型静电放电电压	- 500	+ 500	V	根据 JEDEC 标准 JESD22 - C101 确定
ILAT	环境温度为 105°C 时的闩锁电流	- 100	+ 100	mA	根据 JEDEC 标准 JESD78 确定

4.4 电压和电流操作额定值

符号	描述	最小值	最大值	单位
VDD	数字电源电压	- 0.3	3.8	V
IDD	数字电源电流		185	mA
VDIO	数字输入电压（除 RESET、EXTAL 和 XTAL）	- 0.3	5.5	V
VAIO	模拟 1、RESET、EXTAL 和 XTAL 输入电压	- 0.3	VDD + 0.3	V
ID	单引脚最大电流限制（适用于所有数字引脚）	- 25	25	mA
VDDA	模拟电源电压	VDD - 0.3	VDD + 0.3	V
VUSB_DP	USB_DP 输入电压	- 0.3	3.63	V
VUSB_DM	USB_DM 输入电压	- 0.3	3.63	V
VREGIN	USB 调节器输入	- 0.3	6.0	V
VBAT	RTC 电池电源电压	- 0.3	3.8	V

五、电气特性

5.1 AC 电气特性

除非另有说明，传播延迟从 50% 到 50% 点测量，上升和下降时间在 20% 和 80% 点测量。所有数字 I/O 开关特性假设输出引脚负载 (C_{L}=30 pF)，配置为快速压摆率（(PORTx_PCRn[SRE] = 0)）和高驱动强度（(PORTx_PCRn[DSE]=1)），输入引脚禁用无源滤波器（(PORTx_PCRn[PFE]=0)）。

5.2 非开关电气规格

5.2.1 电压和电流操作要求

符号	描述	最小值	最大值	单位	备注
VDD	电源电压	1.71	3.6	V
VDDA	模拟电源电压	1.71	3.6	V
VDD - VDDA	VDD 到 VDDA 的差分电压	- 0.1	0.1	V
VSS - VSSA	VSS 到 VSSA 的差分电压	- 0.1	0.1	V
VBAT	RTC 电池电源电压	1.71	3.6	V
VIH	输入高电压	2.7 V ≤ VDD ≤ 3.6 V 时为 0.7 × VDD；1.7 V ≤ VDD ≤ 2.7 V 时为 0.75 × VDD		V
VIL	输入低电压	2.7 V ≤ VDD ≤ 3.6 V 时为 0.35 × VDD；1.7 V ≤ VDD ≤ 2.7 V 时为 0.3 × VDD		V
VHYS	输入滞后	0.06 × VDD		V
IICDIO	数字引脚负直流注入电流（单引脚）	VIN < VSS - 0.3V 时为 - 5 mA		mA
IICAIO	模拟 2、EXTAL 和 XTAL 引脚直流注入电流（单引脚）	VIN < VSS - 0.3V（负电流注入）时为 - 5 mA；VIN > VDD + 0.3V（正电流注入）时为 + 5 mA		mA
IICcont	相邻引脚直流注入电流（区域限制，包括 16 个相邻引脚的负注入电流总和或正注入电流总和）	- 25	+ 25	mA
VODPU	开漏上拉电压电平	VDD	VDD	V	开漏输出必须上拉到 VDD
VRAM	保留 RAM 所需的 VDD 电压	1.2		V
VRFVBAT	保留 VBAT 寄存器文件所需的 VBAT 电压	VPOR_VBAT		V

5.2.2 LVD 和 POR 操作要求

符号	描述	最小值	典型值	最大值	单位	备注
VPOR	下降 VDD POR 检测电压	0.8	1.1	1.5	V
VLVDH	下降低电压检测阈值（高范围，LVDV = 01）	2.48	2.56	2.64	V
VLVW1H	低电压警告阈值（高范围，LVWV = 00）	2.62	2.70	2.78	V
VLVW2H	低电压警告阈值（高范围，LVWV = 01）	2.80	2.72	2.88	V
VLVW3H	低电压警告阈值（高范围，LVWV = 10）	2.90	2.82	2.98	V
VLVW4H	低电压警告阈值（高范围，LVWV = 11）	3.00	2.92	3.08	V
VHYSH	低电压抑制复位/恢复滞后（高范围）		± 80		mV
VLVDL	下降低电压检测阈值（低范围，LVDV = 00）	1.54	1.60	1.66	V
VLVW1L	低电压警告阈值（低范围，LVWV = 00）	1.74	1.80	1.86	V
VLVW2L	低电压警告阈值（低范围，LVWV = 01）	1.84	1.90	1.96	V
VLVW3L	低电压警告阈值（低范围，LVWV = 10）	2.00	1.94	2.06	V
VLVW4L	低电压警告阈值（低范围，LVWV = 11）	2.04	2.10	2.16	V
VHYSL	低电压抑制复位/恢复滞后（低范围）		± 60		mV
VBG	带隙电压参考	0.97	1.00	1.03	V
tLPO trimmed	内部低功耗振荡器