1.    概述

S32K1 系列根据安全需求设计搭配 FS45XX 硬体设计，本文介绍 FS45XX 相关的硬体设计与规格内容，不同的电源架构如何使用硬体，如何搭配 S32K 监控讯号，硬体脚位要如何与 S32K 连接，电源输出如何配置，低功耗模式唤醒方式，以及效率计算，和 debug mode 进入，上电时序等等做说明，让读者快速了解设计重点，重要脚位设计概念。

 

2.    FS45XX 规格以及状态机

2.1    FS45XX & FS65XX 规格图

由下图图一可以了解 FS45XX 与 FS65XX 系列整体规格，后续本文也会根据规格以及使用方式详细说明，此两系列除了输出能力可挑选之外，最大差异为 FS65XX 在 Vpre 转 Vcore 为 Buck 模式，应用在较低主核电压应用，效率较高，FS45XX 在 Vpre 转 Vcore 为 LDO模式，效率较低。

另外两个系列皆可挑选是否增加 LIN or CAN 的 PHY 功能，与 LDT & FS1B ，LDT 为 Timer 应用，可用来延迟 FS1B 输出错误发生 flag 或者进入低功耗模式，唤醒的时钟源，FS1B 可以作为 FS0B 冗于设计，或者应用于额外提醒其他 device ，又或者可以使用在延迟错误 flag 触发。

图 ( 一 ) FS45XX 与 FS65XX 系列规格图

2.2    FS45XX 状态机

FS45XX 状态机只要上电时判断状态错误，或者在任何侦测到有错误会根据配置进入 deep-fail 或者LPOFF-SLEEP 状态，如果上电状态与自检皆正常，并顺利使用 SPI 初始化后 Watchdog ，FS45XX 则进入 normal 状态，此状态整体输出功能正常。

3.    FS45XX 电源架构以及上电时序

3.1    FS45XX 电源架构

FS45XX 电源架构分为 buck & boost 与 buck only 差异， buck & boost 架构可支持更低的输入电源电压，硬体设计差异为 GATE_LS 接地或者接 Mosfet 开关，下方图示会更佳清楚说明。

如下图图二红框部分，此为 buck & boost 硬体架构

图 ( 二 ) buck & boost 架构图

如下图图三红框部分，此为 buck 硬体架构

图 ( 三 ) buck 架构图

 

 

3.2    FS45XX 电源架构与输入电压影响

下图为 FS45XX 两种电源架构，由此图可知在 Buck-boost 架构下，可支持更低的输入电压源

 

图 ( 四 ) 电源架构与电压输入差异图

 

3.3    FS45XX 上电时序

FS45XX Power on 后会先启动 Vpre ，当 Vpre 达到 Vpre_uv 电压后 1 ms，会将 Vcore / Vcca / Vaux 给启动，开始升压至设定电压值后，INTB 脚位拉 high ，部分自检完成后，RSTB 拉 high ，此过程一般花费 16.5 ms 。

 

4.    FS45XX 唤醒方式

FS45XX 支援 4 种唤醒方式分别为 CAN-Bus 唤醒， LIN 唤醒，GPIO 脚位唤醒，Timer 唤醒 ( LDT )，标注说明这里 CAN-Bus 与 LIN 唤醒使用 FS45XX 内建的 CAN-Bus 与 LIN ，而非外接 CAN 与 LIN PHY Chip ，如要外接方式唤醒，可使用 GPIO 唤醒方式设计，下方详细说明唤醒架构。

 

4.1  CAN-Bus 唤醒

唤醒方式使用内部 CAN-Bus 的脚位来进行唤醒，只要 CAN-Bus 线路上有资料传输，就会唤醒 FS45XX

 

4.2   LIN 唤醒

唤醒方式使用内部 LIN 的脚位来进行唤醒，只要 CAN-Bus 线路上有资料传输，就会唤醒 FS45XX

 

4.3 GPIO 唤醒

唤醒方式使用 GPIO 的脚位来进行唤醒，IO_0、IO_2、IO_3、IO_4、IO_5 皆可用来唤醒 FS45XX ，可使用讯号 edge 和 level 方式来判断唤醒

 

4.4   Timer 唤醒

FS45XX 部分料号可使用 LDT 功能，其中功能之一，就是借由此 Timer 来唤醒 FS45XX ，此 LDT 可支援 24-bit Value 来 counter ，唤醒机制有两种，一种为设置唤醒 Value ，当 Value 达到后会唤醒 FS45XX ，另一种为此 LDT 溢位后，会唤醒 FS45XX ，这种唤醒方式在 CAN、LIN、GPIO 唤醒后，Timer 依然会持续 counter

 

 

5.    FS45XX 硬体设计 for S32K1

5.1  FS45XX 输出电源脚位设计

FS45XX 主要输出电源为了电源效率， FS45XX 会先将输入电源经过 buck or buck – boost 内部产生约 6.5 V 的 Vpre ，在供给 Vcore 、Vcca 和 Vaux ，如下图内部结构所示

 

FS45XX 主要输出电源为下列三种 :

1. Vcore : MAX 0.5A
2. Vcca : 100mA / 1% or 300mA 3%
3. Vaux : 400mA, with 10mV offset

 

Vcore 输出电压设计，借由外部电阻分压方式经由 FB_CORE回授脚位来调整电压 1 至 5 V 输出

Vcca 与 Vaux 电压设计，借由 SELECT 脚位外接电阻阻值来决定 3.3 or 5 V电压输出，阻值对应输出电压如下表所示

 

5.1K	VDDA = 3.3 V , VAUX = 3.3 V
12K	VDDA = 5.0 V , VAUX = 5.0 V
24K	VDDA = 3.3 V , VAUX = 5.0 V
51K	VDDA = 5.0 V , VAUX = 3.3 V

 

Vcca 如果要设计成 300mA 电流输出需要外接 BJT ，如下图设计

 

 

5.2  FS45XX SPI & Reset 脚位设计

FS45XX 与 S32K1 需要使用 SPI 通讯来初始化配置以及 Watchdog 操作等等，所以 SPI 通讯脚位是必须的。其馀 CAN & LIN 脚位为通讯 PHY 的功能来使用，可任意选择料号是否含 CAN & LIN 功能

 

 

FS45XX 需要连接 FS45XX Reset 脚位，遇到错误问题时，可以将 MCU 硬体 Reset 。

 

 

5.3  FS45XX VKAM

VKAM 可输出约 3.5 V 电压， 3 mA 输出电流，可配置低功耗模式仍可运行

 

6.    FS45XX debug mode

FS45XX 进入 debug mode 可以协助用户测试 FS45XX 相关功能，开启 debug mode 后无需初始化 FS45XX 与定时 Watch dog ，FS45XX 即可根据硬体配置输出电源供应。

Debug mode 进入方式为 FS45XX 上电时判断 debug pin 脚电压值来决定，电压值范围落在 2.1 ~ 4.97 为 debug mode ，其馀则为 normal mode 。

这里提供参考设计，方便客户理解，如下图所示，实际上产品板子我们也会借由电阻上件与不上件，来配置 debug mode 与 normal mode

 

7.    FS45XX monitor

FS45XX 监控机制大致分为 2 种，一种为根据配置自动侦测，一有问题马上根据配置触发保护，7.1 章节详细说明，另一种为利用类比输出，将监测数值输出给 MCU ，由 MCU 判断是否正常，此类一般为较不即时性危害，或者在重大危害异常发生前，可先行判断异常数据，7.2 章节详细说明。

7.1  FS45XX 监控错误

FS45XX 会根据配置自动监控下列几项数值，如果错误发生会将 MCU reset 根据配置进入 deep-fail or LPOFF-SLEEP 5状态，而 FS0B 与 FS1B 会出发动作，告知主系统有错误发生，RSTB 则会根据错误种类决定要不要对 MCU 进行 Reset 的动作。

1. Vpre overvoltage
2. Vcore , Vcca , Vaux overvoltage
3. Vcore , Vcca , Vaux undervoltage
4. SPI 异常
5. Watchdog 失败初始化时间内与 Watchdog 错误达到设置上限
6. 类比自检失败
7. RSTB 短路
8. 外部 reset
9. I/O 错误讯号输入

 

7.2  S32K1监控基于 FS45XX

FS45XX 借由 MUX_OUT 脚位输出类比讯号给 S32K1 ，让 S32K1 监控参数是否异常，也可以互相确认 S32K1 ADC 功能是否异常，此脚位接到 S32K1 具有 ADC 功能脚位，能监控的参数如下，可以使用 SPI 通讯来切换欲监控数据，可监控数据为下列 5 项

1. VSENSE ( 可以获取 Battery 电压资讯 )
2. VIO_0 ( 侦测 VIO_0 脚位电压值，可以判断 MCU 与 FS45XX 侦测是否有差异 )
3. VKAM ( 侦测 VKAM 脚位输出电压值 )
4. Internal 2.5 V reference ( 内部参考电压 )
5. Internal die temperature ( 内部温度感测器 )

 

其中 VSENSE、VIO_0 以及 VKAM 内部会有分压配置，与 3.3 or 5V 的配置，要注意 MCU ADC reference 电压 3.3 or 5V 来做配置，根据 VSENSE、VIO_0 以及 VKAM 电压 range 来配置分压参数。

其中 Internal die temperature 公式为 温度 = ( VAMUX – VAMUX_TP ) / VAMUX_TP_CO + 165

需使用参数值如下

 VAMUX_TP : 2.15
 VAMUX_TP_CO : 9.9

8.    FS45XX watchdog

      FS45XX 分别有 ASIL-B 与 ASIL-D 的选型，在 ASIL-D 的料号 Watchdog 可选择 challenger 的模式，需要 MCU 将 SPI 获取的数据，经过加减乘除反向运算后丢出，才能完成 Watchdog ，Watchdog 主要配置分别为下列几项

1. Window watchdog ( 是否启用窗型 watchdog ，MCU 仅能在特定时间范围内丢 Watchdog ，对于 MCU 丢 Watchdog 的时间或者频率要求较高 )
2. Watchdog period ( 多少时间内需要丢 Watchdog )
3. Error counter ( 发生几次 Watchdog 错误后要重新 Reset MCU )

 

9.    FS45XX 效率计算

FS45XX 效率计算会根据 Vcore 输出为电压值和 Vcca & Vaux 输出电压不同而有不同的效率，详细计算可以根据 NXP 原厂提供的 Excel ( FS6500-FS4500 Power Dissipation Calculator ) 来计算详细的效率。

 

10.    相关参考档案与文件

FS45XX datasheet

FS6500-FS4500 Power Dissipation Calculator

 

有任何问题及需求，可以联系 Michael.Gao@wpi-group.com