1. 目的
本文主要说明 SBC 模块 。
2．基础介绍
2.1 概述
SBC ( Safety Power System Basis Chip ) 即安全系统基础芯片 ，不仅为电路提供多种电源输出 ，而且提供了 CAN / LIN 通信 ，是汽车组件的一部分 。
FS65 是一种 SBC 芯片 ，其有一个大范围的电源输入范围 （2.7~40V）和输出电流范围 （最高2.2A）, 使用了多个开关稳压器 、显性稳压器 、低功耗模式 （32μA） 和唤醒能力优化能耗 。在故障安全方面 ，可配置的故障安全和故障安全输出是整个安全系统的一部分 ，安全等级可高达 ASIL D 。主要的特征性能如下 ：
- 16 位 SPI 接口 、可选的 CAN 与 LIN 接口
- 多个唤醒功能 ：CAN 、LIN 、IOs 、LDT
- 低功耗下的 3V 存储器供压
- LDT (长时间定时器) ，在 0s 的分辨率下可计数长达 6 个月
- 高灵敏的 SMPS 预调节器 ，允许两种拓扑 ：buck-boost 非逆变和标准 buck
下图是 FS65 不同型号的拥有的功能 ：
图 1 型号与功能
下图是 FS65 的框图
图 2 内部框图
2.2 主要功能引脚
2.2.1 供压引脚
VSUP1 和 VSUP2 是 VPRE SMPS 调剂器的供压引脚 ，VSUP3 是内部电压参考引脚 ，VSENSE 是供压检测引脚 ，检测输入电压是否在阈值内 。
2.2.2 预调节器 （VPRE）
工作于流控模式 ，内部集成了补偿网络和 MOSFET ，输出 6.5V 电压 。提供电流限制 、过压和欠压检测 。可配置为 buck-boost 非逆变转换或标准 buck 转换 。
2.2.3 VCORE (1.0~5.0V)
由一个 SMPS 调节器输出 ，这是一个压控降压 DCDC 转换器 ，通过外部引脚 COMP_CORE 使得转换器稳定转换 。通过 VCORE 与反馈引脚 （FB_CORE）之间的分压电阻配置输出电压 。
电流限制 、过压和欠压检测同样被提供 ，检测出来时会改变相应寄存器并产生一个中断 。可通过 SPI 指令关闭这个转换器 ，但当过压和欠压配置为影响故障安全输出时 ，不推荐通过指令关闭此调节器 。过压会禁用 VCORE 。
2.2.4 VCCA (3.3V 或 5V)
由一个线性调节器输出 ，提供一个精准电压输出 。可选择内部三极管输出 (±1.0%-5V 或 ±1.5%-3.3V ，电流100mA) ，此时精度较高 ，电流较小 ，或选择外接 PNP 输出 (±3.0% ，电流300mA) ，此时精度较低 ，电流较大 。
电流限制 、过压和欠压检测同样被提供 ，检测出来时会改变相应寄存器并产生一个中断 。可通过 SPI 指令关闭这个转换器 ，但当过压和欠压配置为影响故障安全输出时 ，不推荐通过指令关闭此调节器 。使用外部 PNP 时过流或过压会禁用 VCORE 。
2.2.5 VAUX (3.3V 或 5V)
由一个线性调节器输出 ，提供一个辅助电压输出 。 外接 PNP 输出 ，可以配置为随着 VCCA 的 跟踪调节器 。
电流限制 、过压和欠压检测同样被提供 ，检测出来时会改变相应寄存器并产生一个中断 。可通过 SPI 指令关闭这个转换器 ，但当过压和欠压配置为影响故障安全输出时 ，不推荐通过指令关闭此调节器 。过压或欠压会禁用 VCORE 。
2.2.6 SELECT 引脚
通过与地或 VPRE 之间连接的电阻选择 VCCA 和 VAUX 的电压 ，如下图 3 ，
图 3 VCCA / VAUX 电压选择
此外 ，与地连接可使能深度故障安全 ，与 VPRE 相连则禁用深度故障安全 。
2.2.7 中断引脚 (INTB)
当中断发生时 ，产生一个低脉冲 。此引脚内部上拉 ， 连接的电源位 VDDIO 。2.2.8 多路器 (MUX_OUT)
此引脚可选择一个模拟电压输出到 MCU ADC 。可选择的模拟电压有 （电压范围为 0~VDDIO）：
- VSENSE
- VIO_0
- VKAM
- 内部 5V 参考电压
- 内部温度传感器
2.2.9 IOs
共有 5 个可配置的 IOs ，下表是 IOs 配置表 。
表 1 IOs 配置
|
IO 编号 |
数字输入唤醒能力 |
模拟输入 |
输出门驱动器 |
VKAM |
FCCU 监控 |
Ext.IC 监控 |
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IO_0 |
√ |
√ |
- |
- |
- |
- |
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IO_2 |
√ |
- |
- |
- |
√ |
- |
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IO_3 |
√ |
- |
- |
- |
- | |
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IO_4 |
√ |
- |
√ |
- |
- |
√ |
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IO_5 |
√ |
√ |
- |
√ |
- |
数字输入唤醒能力 ：将 FS65 唤醒 ，其中只有 IO_0 能从深度故障安全模式中唤醒 ，
模拟输入 ：通过 MUX_OUT 将模拟信号发送到 MCU ADC 。
输出门驱动器 ：输出数字信号 。
VKAM : 输出供压 ，在低功耗时还能继续供压 。
FCCU 监控 ：MCU 上的 FCCU 监控 。此监控只在正常 WD 模式有效 ，且只有正常的相位才被认为是正确的 。如图 4
Ext.IC 监控 ：IC 错误监控 ，即 IO_4 接收确认计数 ，IO_5 在每一个计数都必须有来自 MCU 的确认计数 ，否则故障安全引脚输出低电平 。如图 5
图 4 FCCU 信号监控
图 5 外部错误信号处理
2.2.10 FS0B 与 FS1B
FS0B 是主要安全输出引脚 ，当故障产生时 ，输出低电平 ，上电复位或唤醒时 ，此引脚是低电平 ，注意将其释放 。
FS1B 是次级安全输出引脚 ，当 FS0B 输出低时 ，在可配置的延迟时间 (tFELAY) 或持续时间 (tDUR) 后 ，FS1B 输出低电平 。上电复位或唤醒时 ，此引脚是低电平 ，注意将其释放 。
这两个引脚都必须有一个外部上拉 。
2.2.11 RSTB 引脚
必须有外部上拉连接到 VDDIO ， 复位时间有三个可能值 ：
- 自动复位 ：上电复位或进入低功耗
- 在正常运行下 ，复位持续 0ms 或 10ms ，这是可以配置的
2.2.12 DEBUG 引脚
当起始时 ，若此引脚电压在 Vdebug_il 和 Vdebug_ih 之间 (典型为 2.35~4.6V)，则进入 debug 模式 ，在此模式 ，看门狗不用刷新 ，且看门狗窗口完全是开的 ，但是整个看门狗功能时完全保留的 ，如果要退出 ，则必须在上电复位或低功耗唤醒时此引脚下拉 。3. 功能
FS65 有两种并行的状态机 ，主状态机控制电源管理 (如 VPRE 、VCORE 、VCCA 、VAUX) ，故障安全状态机控制所有安全方面 (如 WD 、RSTB 、FS0B 、FS1B) 。
3.1 主状态机
3.1.1 INIT main
当上电时 ，主状态机自动进入此模式 ，在此模式中能配置所有主状态机能配置的寄存器 ，一旦离开此模式 ，有些寄存器就无法配置 。离开此模式只需要向 INIT_INT 寄存器写数据 。
3.1.2 正常模式
在此模式 ，所有设备功能可用 ，也可进入低功耗模式 。
3.1.3 低功耗模式 - sleep
仅能在正常模式下通过发送 SPI 指令使得 FS65 进入此模式 ，进入此模式后 ，所有调节器关闭 ，但若是使用 VKAM ，则 VKAM 还在继续供电 。此模式可以通过 CAN 、LIN 、IOs 或 LDT 唤醒 ，唤醒后 ，主状态机重新开始检测 VPRE 配置 ，故障安全机制同样重新开始 。 若没有使能深度故障安全状态 ，则一旦 RSTB 引脚持续低电平超过 8.0s ，则也会进入此状态 (此 8.0ms 定时器可关闭) 。
3.1.4 低功耗模式 – auto WU
在 INIT 或正常模式下 ，若电压 VPRE 通过 VPRE_UV_4P3 (典型4.3V) ，或在正常模式下发送 SPI 指令 ，皆可进入此模式 ，然后 1.0 ms 后尝试恢复 。
3.1.5 低功耗模式 – deep FS
在设备处于深度故障安全并且 IO_0 是低时 ，进入此模式 ，当 IO_0 为高电平时 ，可以将此模式唤醒 。
3.1.6 低功耗时的寄存器配置
在低功耗模式中 ，因为内部 2.5V 主数字调节器在运行 ，所以主状态机寄存器被保存 ，但故障安全数字调节器不运行 ，所以唤醒后 ，需要在 256ms 内重新配置故障安全状态机 。
3.2 故障安全状态机
3.2.1 LBIST
逻辑内置自测 (LBIST) 在启动或从低功耗模式唤醒时 ，会进行自测 ，如果检测出问题 ，将在寄存器中保留相应标志且 FS0B 与 FS1B 保持低电平 ，此时此故障会阻碍这两个引脚释放 。
3.2.2 ABIST
模拟内置自测 (ABIST) 主要严重模拟部分如过压 、欠压之类的电压监控和故障输出反馈 。如果检测出问题 ，则做出与 LBIST 出问题时一样的动作 。
主要模拟自测 (ABIST1) 总在启动或唤醒后运行 ，下表是其运行检测内容 。
表 2 ABIST1 期间调节器和故障安全引脚检测
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参数 |
过压 |
欠压 |
OK/NOK |
|
VPRE |
√ |
- |
- |
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VCORE (包括 FCRBM) |
√ |
√ |
- |
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VCCA |
√ |
- |
- |
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RSTB |
- |
- |
√ |
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FS0B |
- |
- |
√ |
次要的模拟自测 (ABIST2) 可通过 SPI 之类运行 ，并通过检测 VAUX (过压 / 欠压会影响故障安全输出) 释放 FS0B 。同样 ，在启动或唤醒时 ，ABIST2 页必须运行以释放 FS0B 。
表 3 ABIST2 期间调节器和故障安全引脚检测
|
参数 |
过压 |
欠压 |
OK/NOK |
|
VAUX |
√ |
√ |
- |
|
FS1B |
- |
- |
√ |
3.2.3 INIT_FS
在上电且内置自测 (LBIST 和 ABIST1) 后 ，故障安全状态机进入此模式 ，在 RSTB 释放后此模式开始运行 。在此模式中能配置所有故障安全状态机能配置的寄存器 ，一旦离开此模式 ，有些寄存器就无法配置 。在这个模式中 ，需要在 256ms 内配置完成寄存器且第一次刷新看门狗 ，刷新看门狗之后离开此模式 ，进入 Normal WD 模式 。
3.2.4 Normal WD
在这个模式中 ，必须周期性刷新看门狗 。在故障发生导致 RSTB 发出低电平或外部拉低 RSTB ，将推出此模式 。
4. 串行通信 SPI
MCU 通过 SPI 指令 给 FS65 配置寄存器 。对于 FS65 ，SPI 的时钟频率在 0.5~8.0MHz ，要求空闲时时钟线为低电平 ，相位为在第二个边沿采集数据 ，并且是 16 位的 SPI 。除此之外 ，片选有如下图的要求 。
图 6 寄存器访问限制
NCS 两个低电平序列之间必须间隔至少 500ns (即发一次16位的数据帧后 ，先拉高 NCS ，至少 500ns 之后才能再次拉低 NCS) ，两个故障安全机寄存器的访问必须至少间隔 3.5 μs ，当这 3.5μs 中间可以访问主状态机寄存器 。如图 7 ，这是 SPI 16 位数据的含义 。
图 7 SPI 概述
图 8 MOSI 16位具体含义
图 9 MISO 位 15：8 具体含义
MISO 低 8 位由读写的寄存器不同而读取不同数值 。
5. 参考资料
① NXP 官网 ：《MPC5744PRM》
下载链接 ：
② NXP 官网 ：《FS6500-4500》
下载链接 ：
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