Freescale K60 系列芯片：技术剖析与设计指南

在当今的电子设计领域，高性能、低功耗的微控制器是众多项目的核心选择。Freescale 的 K60 系列芯片凭借其丰富的功能和出色的性能，在众多应用场景中崭露头角。今天，我们就来深入剖析 K60 系列芯片的技术细节，为电子工程师们提供一份全面的设计指南。

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一、K60 系列芯片概述

K60 系列芯片支持 MK60DN256ZVLL10、MK60DX256ZVLL10、MK60DN512ZVLL10 等型号，具有广泛的应用范围。其具备以下显著特点：

1. 宽电压与温度范围：工作电压范围为 1.71 至 3.6 V，闪存写入电压范围与之相同，环境温度范围为 -40 至 105°C，能适应多种复杂的工作环境。
2. 高性能核心：采用高达 100 MHz 的 ARM Cortex - M4 核心，支持 DSP 指令，每 MHz 可提供 1.25 Dhrystone MIPS 的性能，满足对计算能力有较高要求的应用。
3. 丰富的内存与接口：非 FlexMemory 设备最高支持 512 KB 程序闪存，FlexMemory 设备最高支持 256 KB 程序闪存和 256 KB FlexNVM，还有 4 KB FlexRAM 和最高 128 KB RAM。同时具备串行编程接口（EzPort）和 FlexBus 外部总线接口，方便与外部设备进行数据交互。
4. 多样的时钟源：配备 3 至 32 MHz 晶体振荡器、32 kHz 晶体振荡器和多用途时钟发生器，可根据不同应用需求灵活配置时钟频率。
5. 系统外设丰富：拥有多种低功耗模式，可根据应用需求优化功耗；具备内存保护单元、16 通道 DMA 控制器、外部和软件看门狗、低泄漏唤醒单元等，提高系统的稳定性和可靠性。
6. 安全与完整性保障：集成硬件 CRC 模块、硬件随机数发生器和硬件加密模块，支持 DES、3DES、AES、MD5、SHA - 1 和 SHA - 256 等算法，还有 128 位唯一识别号，保障数据的安全和完整性。
7. 人机交互友好：具备低功耗硬件触摸传感器接口（TSI）和通用输入/输出接口，方便实现人机交互功能。
8. 强大的模拟模块：包含两个 16 位 SAR ADC、可编程增益放大器（PGA）、12 位 DAC、三个模拟比较器（CMP）和电压参考，满足模拟信号处理的需求。
9. 多种定时器：有可编程延迟块、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、IEEE 1588 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，可实现精确的定时和控制功能。
10. 丰富的通信接口：支持以太网控制器、USB 全/低速 On - the - Go 控制器、两个 CAN 模块、三个 SPI 模块、两个 I2C 模块、五个 UART 模块、安全数字主机控制器（SDHC）和 I2S 模块，方便与各种外部设备进行通信。

二、芯片订购与识别

2.1 有效订购部件的确定

要确定该设备的可订购部件编号，可访问 freescale.com 网站，搜索 PK60 和 MK60 等设备编号。

2.2 部件编号格式与字段含义

芯片的部件编号格式为 Q K## A M FFF R T PP CC N，各字段含义如下：	字段	描述	取值
Q	资格状态	M = 完全合格，通用市场流通；P = 预资格
K##	Kinetis 系列	K60
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	硅片版本	Z = 初始版本；A = 主要版本后的修订版；（空白）= 主要版本
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)；LF = 48 LQFP (7 mm x 7 mm)；FM = 32 QFN (5 mm x 5 mm)；MP = 64 MAPBGA (5 mm x 5 mm)；LK = 80 LQFP (12 mm x 12 mm)；LL = 100 LQFP (14 mm x 14 mm)；LQ = 144 LQFP (20 mm x 20 mm)；MC = 121 MAPBGA (8 mm x 8 mm)；MD = 144 MAPBGA (13 mm x 13 mm)；MJ = 256 MAPBGA (17 mm x 17 mm)
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，MK60DN512ZVMD10 就是一个具体的部件编号示例。

三、术语与指南

3.1 关键术语定义

• 操作要求：为避免芯片运行错误和可能缩短芯片使用寿命，在操作过程中必须保证的技术特性指定值或值范围。例如，VDD 1.0 V 核心电源电压的操作要求为 0.9 至 1.1 V。
• 操作行为：在满足操作要求和其他指定条件的情况下，操作过程中保证的技术特性指定值或值范围。例如，数字 I/O 弱上拉/下拉电流 IWP 的操作行为范围为 10 至 130 μA。
• 属性：无论是否满足操作要求，都能保证的技术特性指定值或值范围。例如，数字引脚的输入电容 CIN_D 最大值为 7 pF。
• 额定值：技术特性的最小或最大值，超过该值可能导致芯片永久损坏。操作额定值适用于芯片运行期间，处理额定值适用于芯片未供电时。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。

3.2 额定值与操作要求的关系及指南

超过额定值会迅速增加芯片永久损坏的可能性，而操作要求则是正常运行时不应超过的范围。在非正常运行时（如电源排序期间），若必须超过操作要求，应尽量缩短持续时间。

3.3 典型值

典型值是技术特性的指定值，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。典型值仅作为设计指南，不进行测试和保证。

四、芯片额定值

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
TSDR	有铅焊接温度	-	245	°C	根据 IPC/JEDEC 标准 J - STD - 020 确定

4.2 湿度处理额定值

符号	描述	最小值	最大值	单位	备注
MSL	湿度敏感等级	-	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 稳压器输入	–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有 (C_{L}=30 pF) 负载，配置为快速转换速率和高驱动强度；输入引脚禁用被动滤波器。

5.2 非开关电气规格

5.2.1 电压和电流操作要求

包括电源电压、模拟电源电压、差分电压、输入电压、注入电流等方面的要求，如 VDD 电源电压范围为 1.71 至 3.6 V，VIH 输入高电压根据 VDD 范围不同而不同。

5.2.2 LVD 和 POR 操作要求

规定了 (V{DD}) 电源的低电压检测（LVD）和上电复位（POR）的相关参数，如 VPOR 下降时的 (V{DD}) POR 检测电压范围为 0.8 至 1.5 V。

5.2.3 电压和电流操作行为

描述了输出高/低电压、输出电流、输入泄漏电流、输入阻抗、内部上拉/下拉电阻等方面的行为，如输出高电压在不同条件下的范围。

5.2.4 电源模式转换操作行为

规定了不同电源模式转换所需的时间，如 VLLS1 到 RUN 模式转换时间为 134 μs。

5.2.5 功耗操作行为

给出了不同电源模式下的电流消耗，如运行模式电流在不同电压和温度条件下的范围。

5.2.6 EMC 辐射发射操作行为

测量了不同封装在不同频率波段的辐射发射电压，为电磁兼容性设计提供参考。

5.2.7 辐射发射设计指南

可访问 www.freescale.com 进行“EMC design”关键字搜索，获取减少辐射发射干扰的应用笔记。

5.2.8 电容属性

模拟和数字引脚的输入电容最大值均为 7 pF。

5.3 开关规格

5.3.1 设备时钟规格

规定了系统和核心时钟、总线时钟、FlexBus 时钟、闪存时钟等的频率范围，如系统和核心时钟正常运行模式下最大值为 100 MHz。

5.3.2 通用开关规格

适用于 GPIO、UART、CAN、CMT、IEEE 1588 定时器和 (I^{2}C) 信号，包括引脚中断脉冲宽度、外部复位脉冲宽度、模式选择保持时间、端口上升和下降时间等参数。

5.4 热规格

5.4.1 热操作要求

芯片的结温范围为 –40 至 125°C，环境温度范围为 –40 至 105°C。

5.4.2 热属性

给出了不同电路板类型下的热阻和热特性参数，如单/四层电路板在自然对流和强制对流条件下的结到环境热阻。

六、外设操作要求与行为

6.1 核心模块

6.1.1 调试跟踪定时规格

规定了调试跟踪时钟和数据的周期、脉宽、上升/下降时间、设置/保持时间等参数，确保调试过程的准确性。

6.1.2 JTAG 电气特性

给出了 JTAG 在不同电压范围下的操作电压、时钟频率、周期、脉宽、数据设置/保持时间等参数，为 JTAG 调试提供电气保障。

6.2 系统模块

该文档未提及系统模块的具体规格。

6.3 时钟模块

6.3.1 MCG 规格

规定了内部参考频率、DCO 输出频率、FLL 和 PLL 的相关参数，如 FLL 参考频率范围为 31.25 至 39.0625 kHz，PLL 参考频率范围为 2.0 至 4.0 MHz。

6.3.2 振荡器电气规格

包括振荡器的直流电气规格和频率规格，如不同频率和模式下的电源电流、负载电容、反馈电阻、振荡幅度等参数，以及振荡器的启动时间。

6.3.3 32 kHz 振荡器电气特性

规定了 32 kHz 振荡器的电源电压、内部反馈电阻、寄生电容、振荡幅度等参数，以及启动时间和外部输入时钟的规格。

6.4 存储器和存储器接口

6.4.1 闪存电气规格

包括闪存的编程和擦除定时规格、命令定时规格、高电压电流行为和可靠性规格，如长字编程高电压时间为 7.5 至 18 μs，数据闪存的循环耐久性为 10 K 至 50 K 周期。

6.4.2 EzPort 开关规格

规定了 EzPort 的操作电压、时钟频率、信号设置/保持时间等参数，确保 EzPort 通信的准确性。

6.4.3 FlexBus 开关规格

给出了 FlexBus 在不同电压范围下的操作电压、时钟频率、地址/数据/控制输出有效/保持时间、数据输入设置/保持时间等参数，为外部总线通信提供保障。

6.5 安全与完整性模块

该文档未提及安全与完整性模块的具体规格。

6.6 模拟模块

6.6.1 ADC 电气规格

规定了 16 位 ADC 的操作条件和电气特性，包括电源电压、参考电压、输入电压、输入电容、转换时钟频率、转换速率等参数，以及总未调整误差、积分非线性、满量程误差等性能指标。

6.6.2 CMP 和 6 - bit DAC 电气规格

给出了比较器和 6 位 DAC 的电源电压、电源电流、输入电压、偏移电压、滞后电压、输出高/低电压、传播延迟等参数。

6.6.3 12 - bit DAC 电气特性

包括 12 位 DAC 的操作要求和操作行为，如电源电压、参考电压、输出负载电容、负载电流等要求，以及电源电流、满量程建立时间、积分/差分非线性误差、偏移误差、增益误差等行为参数。

6.6.4 电压参考电气规格

规定了电压参考的操作要求和行为，如电源电压、温度范围、输出负载电容等要求，以及输出电压、温度漂移、负载调节等行为参数。

6.7 定时器

定时器的相关规格可参考通用开关规格。

6.8 通信接口

6.8.1 以太网开关规格

规定了 MII 和 RMII 信号的时钟频率、脉宽、数据设置/保持时间等参数，满足以太网通信的要求。

6.8.2 USB 电气规格

USB 电气特性符合通用串行总线实施者论坛的标准，