1.    概述

S32K1 系列根據安全需求設計搭配 FS45XX 硬體設計，本文介紹 FS45XX 相關的硬體設計與規格內容，不同的電源架構如何使用硬體，如何搭配 S32K 監控訊號，硬體腳位要如何與 S32K 連接，電源輸出如何配置，低功耗模式喚醒方式，以及效率計算，和 debug mode 進入，上電時序等等做說明，讓讀者快速瞭解設計重點，重要腳位設計概念。

 

2.    FS45XX 規格以及狀態機

2.1    FS45XX & FS65XX 規格圖

由下圖圖一可以了解 FS45XX 與 FS65XX 系列整體規格，後續本文也會根據規格以及使用方式詳細說明，此兩系列除了輸出能力可挑選之外，最大差異為 FS65XX 在 Vpre 轉 Vcore 為 Buck 模式，應用在較低主核電壓應用，效率較高，FS45XX 在 Vpre 轉 Vcore 為 LDO模式，效率較低。

另外兩個系列皆可挑選是否增加 LIN or CAN 的 PHY 功能，與 LDT & FS1B ，LDT 為 Timer 應用，可用來延遲 FS1B 輸出錯誤發生 flag 或者進入低功耗模式，喚醒的時鐘源，FS1B 可以作為 FS0B 冗於設計，或者應用於額外提醒其他 device ，又或者可以使用在延遲錯誤 flag 觸發。

圖 ( 一 ) FS45XX 與 FS65XX 系列規格圖

2.2    FS45XX 狀態機

FS45XX 狀態機只要上電時判斷狀態錯誤，或者在任何偵測到有錯誤會根據配置進入 deep-fail 或者LPOFF-SLEEP 狀態，如果上電狀態與自檢皆正常，並順利使用 SPI 初始化後 Watchdog ，FS45XX 則進入 normal 狀態，此狀態整體輸出功能正常。

3.    FS45XX 電源架構以及上電時序

3.1    FS45XX 電源架構

FS45XX 電源架構分為 buck & boost 與 buck only 差異， buck & boost 架構可支持更低的輸入電源電壓，硬體設計差異為 GATE_LS 接地或者接 Mosfet 開關，下方圖示會更佳清楚說明。

如下圖圖二紅框部分，此為 buck & boost 硬體架構

圖 ( 二 ) buck & boost 架構圖

如下圖圖三紅框部分，此為 buck 硬體架構

圖 ( 三 ) buck 架構圖

 

 

3.2    FS45XX 電源架構與輸入電壓影響

下圖為 FS45XX 兩種電源架構，由此圖可知在 Buck-boost 架構下，可支持更低的輸入電壓源

 

圖 ( 四 ) 電源架構與電壓輸入差異圖

 

3.3    FS45XX 上電時序

FS45XX Power on 後會先啟動 Vpre ，當 Vpre 達到 Vpre_uv 電壓後 1 ms，會將 Vcore / Vcca / Vaux 給啟動，開始升壓至設定電壓值後，INTB 腳位拉 high ，部分自檢完成後，RSTB 拉 high ，此過程一般花費 16.5 ms 。

 

4.    FS45XX 喚醒方式

FS45XX 支援 4 種喚醒方式分別為 CAN-Bus 喚醒， LIN 喚醒，GPIO 腳位喚醒，Timer 喚醒 ( LDT )，標註說明這裡 CAN-Bus 與 LIN 喚醒使用 FS45XX 內建的 CAN-Bus 與 LIN ，而非外接 CAN 與 LIN PHY Chip ，如要外接方式喚醒，可使用 GPIO 喚醒方式設計，下方詳細說明喚醒架構。

 

4.1  CAN-Bus 喚醒

喚醒方式使用內部 CAN-Bus 的腳位來進行喚醒，只要 CAN-Bus 線路上有資料傳輸，就會喚醒 FS45XX

 

4.2   LIN 喚醒

喚醒方式使用內部 LIN 的腳位來進行喚醒，只要 CAN-Bus 線路上有資料傳輸，就會喚醒 FS45XX

 

4.3 GPIO 喚醒

喚醒方式使用 GPIO 的腳位來進行喚醒，IO_0、IO_2、IO_3、IO_4、IO_5 皆可用來喚醒 FS45XX ，可使用訊號 edge 和 level 方式來判斷喚醒

 

4.4   Timer 喚醒

FS45XX 部分料號可使用 LDT 功能，其中功能之一，就是藉由此 Timer 來喚醒 FS45XX ，此 LDT 可支援 24-bit Value 來 counter ，喚醒機制有兩種，一種為設置喚醒 Value ，當 Value 達到後會喚醒 FS45XX ，另一種為此 LDT 溢位後，會喚醒 FS45XX ，這種喚醒方式在 CAN、LIN、GPIO 喚醒後，Timer 依然會持續 counter

 

 

5.    FS45XX 硬體設計 for S32K1

5.1  FS45XX 輸出電源腳位設計

FS45XX 主要輸出電源為了電源效率， FS45XX 會先將輸入電源經過 buck or buck – boost 內部產生約 6.5 V 的 Vpre ，在供給 Vcore 、Vcca 和 Vaux ，如下圖內部結構所示

 

FS45XX 主要輸出電源為下列三種 :

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

 

Vcore 輸出電壓設計，藉由外部電阻分壓方式經由 FB_CORE回授腳位來調整電壓 1 至 5 V 輸出

Vcca 與 Vaux 電壓設計，藉由 SELECT 腳位外接電阻阻值來決定 3.3 or 5 V電壓輸出，阻值對應輸出電壓如下表所示

 

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 如果要設計成 300mA 電流輸出需要外接 BJT ，如下圖設計

 

 

5.2  FS45XX SPI & Reset 腳位設計

FS45XX 與 S32K1 需要使用 SPI 通訊來初始化配置以及 Watchdog 操作等等，所以 SPI 通訊腳位是必須的。其餘 CAN & LIN 腳位為通訊 PHY 的功能來使用，可任意選擇料號是否含 CAN & LIN 功能

 

 

FS45XX 需要連接 FS45XX Reset 腳位，遇到錯誤問題時，可以將 MCU 硬體 Reset 。

 

 

5.3  FS45XX VKAM

VKAM 可輸出約 3.5 V 電壓， 3 mA 輸出電流，可配置低功耗模式仍可運行

 

6.    FS45XX debug mode

FS45XX 進入 debug mode 可以協助用戶測試 FS45XX 相關功能，開啟 debug mode 後無需初始化 FS45XX 與定時 Watch dog ，FS45XX 即可根據硬體配置輸出電源供應。

Debug mode 進入方式為 FS45XX 上電時判斷 debug pin 腳電壓值來決定，電壓值範圍落在 2.1 ~ 4.97 為 debug mode ，其餘則為 normal mode 。

這裡提供參考設計，方便客戶理解，如下圖所示，實際上產品板子我們也會藉由電阻上件與不上件，來配置 debug mode 與 normal mode

 

7.    FS45XX monitor

FS45XX 監控機制大致分為 2 種，一種為根據配置自動偵測，一有問題馬上根據配置觸發保護，7.1 章節詳細說明，另一種為利用類比輸出，將監測數值輸出給 MCU ，由 MCU 判斷是否正常，此類一般為較不即時性危害，或者在重大危害異常發生前，可先行判斷異常數據，7.2 章節詳細說明。

7.1  FS45XX 監控錯誤

FS45XX 會根據配置自動監控下列幾項數值，如果錯誤發生會將 MCU reset 根據配置進入 deep-fail or LPOFF-SLEEP 5狀態，而 FS0B 與 FS1B 會出發動作，告知主系統有錯誤發生，RSTB 則會根據錯誤種類決定要不要對 MCU 進行 Reset 的動作。

1. Vpre overvoltage
2. Vcore , Vcca , Vaux overvoltage
3. Vcore , Vcca , Vaux undervoltage
4. SPI 異常
5. Watchdog 失敗初始化時間內與 Watchdog 錯誤達到設置上限
6. 類比自檢失敗
7. RSTB 短路
8. 外部 reset
9. I/O 錯誤訊號輸入

 

7.2  S32K1監控基於 FS45XX

FS45XX 藉由 MUX_OUT 腳位輸出類比訊號給 S32K1 ，讓 S32K1 監控參數是否異常，也可以互相確認 S32K1 ADC 功能是否異常，此腳位接到 S32K1 具有 ADC 功能腳位，能監控的參數如下，可以使用 SPI 通訊來切換欲監控數據，可監控數據為下列 5 項

1. VSENSE ( 可以獲取 Battery 電壓資訊 )
2. VIO_0 ( 偵測 VIO_0 腳位電壓值，可以判斷 MCU 與 FS45XX 偵測是否有差異 )
3. VKAM ( 偵測 VKAM 腳位輸出電壓值 )
4. Internal 2.5 V reference ( 內部參考電壓 )
5. Internal die temperature ( 內部溫度感測器 )

 

其中 VSENSE、VIO_0 以及 VKAM 內部會有分壓配置，與 3.3 or 5V 的配置，要注意 MCU ADC reference 電壓 3.3 or 5V 來做配置，根據 VSENSE、VIO_0 以及 VKAM 電壓 range 來配置分壓參數。

其中 Internal die temperature 公式為 溫度 = ( VAMUX – VAMUX_TP ) / VAMUX_TP_CO + 165

需使用參數值如下

 VAMUX_TP : 2.15
 VAMUX_TP_CO : 9.9

8.    FS45XX watchdog

      FS45XX 分別有 ASIL-B 與 ASIL-D 的選型，在 ASIL-D 的料號 Watchdog 可選擇 challenger 的模式，需要 MCU 將 SPI 獲取的數據，經過加減乘除反向運算後丟出，才能完成 Watchdog ，Watchdog 主要配置分別為下列幾項

1. Window watchdog ( 是否啟用窗型 watchdog ，MCU 僅能在特定時間範圍內丟 Watchdog ，對於 MCU 丟 Watchdog 的時間或者頻率要求較高 )
2. Watchdog period ( 多少時間內需要丟 Watchdog )
3. Error counter ( 發生幾次 Watchdog 錯誤後要重新 Reset MCU )

 

9.    FS45XX 效率計算

FS45XX 效率計算會根據 Vcore 輸出為電壓值和 Vcca & Vaux 輸出電壓不同而有不同的效率，詳細計算可以根據 NXP 原廠提供的 Excel ( FS6500-FS4500 Power Dissipation Calculator ) 來計算詳細的效率。

 

10.    相關參考檔案與文件

FS45XX datasheet

FS6500-FS4500 Power Dissipation Calculator

 

有任何問題及需求，可以聯繫 Michael.Gao@wpi-group.com