FS85 系列是 NXP 推出的功能安全系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片（Safety SBC），下面就來(lái)介紹下這款芯片及其在硬件設(shè)計(jì)上的注意要點(diǎn)。

一、芯片介紹

1. 概述

FS85/FS84 是一款汽車功能安全多輸出電源，從按等雷達(dá)、視覺、ADAS 域控制器、無(wú)線電和信息應(yīng)用娛樂(lè)。 芯片包括開關(guān)多個(gè)模式和線性電壓調(diào)整器，增強(qiáng)的安全功能和故障安全輸出。 這使得它完全成為一個(gè)面向安全系統(tǒng)的一部分，達(dá)到 ASIL D 安全完整性級(jí)別。 （其中 FS84 系列是兼容于 FS85 系列的芯片，其安全等級(jí)為 ASIL B）。

主要性能特征如下：

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• 最高 60V 的輸入電壓適配汽車和卡車市場(chǎng)

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• 多路 SMP 和 LDO 以提供給 S32 微控制器和其他更多需求

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• 待機(jī)模式和睡眠電流非常低（10μA）

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• 32 位 SPI 和 IDC 與 CRC 接口

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• 適用于有獨(dú)立安全監(jiān)控裝置的 ASIL D 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2. FS85 內(nèi)部框圖如下：

FS85/84 目前各包括 4 個(gè)型號(hào)，分別有不同的輸出配置，這樣的配置可以使其在不同應(yīng)用選型更加的靈活，從而在內(nèi)用系統(tǒng)的總克，其型號(hào)表如下圖：

3. 封裝及管腳介紹

PF85 的封裝為 HPQFN56（HPQFN56（SOT684-23）腳封裝，其引腳封裝分布圖如下：

4. 沒(méi)有使用的引腳處理方式：（由于引腳介紹較多，詳細(xì)信息可以 DATA 參考 SHEET 的第 8 小節(jié) "Connection of unused pins"）

在設(shè)計(jì)的時(shí)候沒(méi)有用的引腳一定要嚴(yán)格按照手冊(cè)的描述來(lái)處理。 如圖所示：

二、硬件設(shè)計(jì)指南

1. VPRE

VPRE 是一個(gè)高壓，同步，峰值電流模式降壓控制器。 VPRE 工作在 force PWM 模式下，并使用外部 NMOS。 其典型的應(yīng)用框圖如下圖：

VPRE 的輸出電壓可通過(guò) OTP 設(shè)定為 3.3V 到 5.0V，其工作頻率是 455 kHz，輸出流最高達(dá)到 10A 的峰值。 VPRE 同時(shí)也是 BOOST 、BUCK1/2 的輸入源（也可以是 BUCK3 和 LDO1 的輸入源）。

當(dāng)使用兩個(gè) FS85/FS84 時(shí)，可能只需要一個(gè) VPRE。 可以不貼第二個(gè) VPRE 的外部組件來(lái)優(yōu)化材料列表。 此時(shí)需要滿足 VPRE2 特殊引腳的請(qǐng)求：

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• PRE_FB2 必須連接到 PRE_FB1

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• PRE_CSP2 必須連接到 PRE_FB1

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• PRE_COMP2 必須保持打開狀態(tài)

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• PRE_SW2 必須連接到 GND

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• PRE_BOOT2 必須連接到 VBOS2

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• PRE_GHS2 和 PRE_GLS2 必須保持懸空

最后在啟動(dòng)階段結(jié)束后，VPRE 2還需要通過(guò) SPI/I2C 用 VPDIS 位進(jìn)行禁用。

2. VBOOST

VBOOST 模塊是一種低壓、異步、峰值電流模式的升壓變換器。VBOOST 工作在 PWM 模式下，使用外部二極管和內(nèi)部低側(cè)場(chǎng)效應(yīng)管。 VBOOST 的輸入源必須連接到 VPRE 的輸出端。

其典型的應(yīng)用框圖如下圖：

VBOOST 的輸出電壓可通過(guò) OTP 設(shè)定為 5.0V 到 5.74V，其工作頻率是 2.22MHz，輸出電流限制在 1.5A 的峰值。 具體新 VPRE 的輸出電流如下圖：

當(dāng) VPRE 配置為 4.1V 或 5.0V 時(shí)，可以不使用 VBOOST。 在市場(chǎng)中，可以不貼外部 VBOOST 組件來(lái)優(yōu)化材料的列表。 OTP_BOOSTEN 位應(yīng)編程為 0， VBOOST pin 必須連接到 VPRE。 BOOST_LS 引腳必須保持懸空狀態(tài)。

3. BUCK1 & 2

BUCK1 & 2 塊是集成了 HS PMOS 和 LS NMOS 的低壓、同步、谷電流模式 BUCK 變換器。 BUCK1 & 2 工作在 PWM 模式下，輸出電壓可通過(guò) OTP 設(shè)定為 0.8V 到 1.8V。 其工作頻率是 2.22MHz，輸出電流限制在 3.6A 峰值。 BUCK1 & 2 的輸入源必須連接到 VPRE 的輸出端。

BUCK1 & 2 可以獨(dú)立工作，也可以在雙相模式下工作，使輸出電流能力提高一倍。

當(dāng) BUCK1 & 2 工作于雙相模式時(shí)，它們必須具有相同的輸出電壓配置。 任何動(dòng)作如 TSD， OV， 通過(guò) SPI/I2C 在 BUCK1 上禁用會(huì)影響到 BUCK2，反之亦然。

其典型的應(yīng)用框圖如下圖（雙相模式）：

使用 OTP_VB12MULTIPH 位啟用雙相模式。 為了獲得最佳的 EMC 性能，BUCK1 和 BUCK2 的 PCB 布局必須是對(duì)稱的。

4. BUCK3

BUCK3 是集成了 HS PMOS 和 LS NMOS 的低壓、同步、谷電流模式 BUCK 變換器。 BUCK1 & 2 工作在 PWM 模式下，輸出電壓可通過(guò) OTP 設(shè)定為 1.0V 到 3.3V。 其工作頻率是 2.22MHz，輸出電流限制在 3.6A 峰值。 BUCK3 的輸入源可以連接到 VPRE 或 VBOOST 的輸出端。

其典型的應(yīng)用框圖如下圖：

5. LDO1 & 2

LDO1 & 2 是兩個(gè)線性穩(wěn)壓器。 輸出電壓可通過(guò) OTP 設(shè)定為 1.1V 到 5.0V。 其電流輸出能力由其最小壓降決定（150mA 為 0.5V，400mA 為 1.0V）。

LDO1 輸入電源從外部連接到 VPRE、VBOOST 或其他電源。 LDO2 輸入電源內(nèi)部連接到VBOOST 的輸出。 其典型的應(yīng)用框圖如下圖：

6. I/O 接口

6.1 WAKE1 & 2

WAKE 引腳用于管理設(shè)備的內(nèi)部偏置和主狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)換。 具體轉(zhuǎn)換條件如下圖：

WAKE1 & 2 是基于電平的喚醒輸入信號(hào)，具有通過(guò) AMUX 進(jìn)行模擬測(cè)量的能力。 例如，

WAKE1 可以連接到 VBAT， WAKE2 則可以連接到 CAN 或 FlexRay 收發(fā)器的喚醒輸出。

6.2 INTB

INTB 是一個(gè)開漏輸出引腳，其內(nèi)部上拉到 VDDIO。 當(dāng)一個(gè)內(nèi)部中，這個(gè)引腳產(chǎn)生一個(gè)脈沖來(lái)通知單片機(jī)。 通過(guò)在 M_INT_MASK 寄存器中設(shè)置相應(yīng)的禁止，并控制每個(gè)進(jìn)一次。

6.3 PSYNC

PSYNC 功能允許使用多個(gè)電源管理 IC 來(lái)管理輸入序列，比如兩個(gè) FS85/FS84（OTP_PSYNC_CFG = 0）或一個(gè) FS85/FS84 加上一個(gè) PF82 （OTP_PSYNC_CFG = 1）。

當(dāng)使用 PSYNC 同步兩個(gè) FS85/FS84 時(shí)，每個(gè)設(shè)備的 PSYNC 引腳應(yīng)連接在一起，并上拉到 FS85/FS84 主設(shè)備的 VBOS 引腳，在此配置中，F(xiàn)S85#1 狀態(tài)機(jī)將在 FS85#1_VPRE 前停止并等待 FS85#2 來(lái)同步 FS85#2_VPRE 啟動(dòng)，如圖所示：

當(dāng)使用 PSYNC 同步一個(gè) FS85/FS84 和一個(gè) PF82 時(shí)，F(xiàn)S85/FS84 的 PSYNC 引腳應(yīng)與 PF82 的 PGOOD 引腳連接，并可上拉至 PF82 的 VSNS 引腳。在這個(gè)配置中，F(xiàn)S85 狀態(tài)機(jī)在 VPRE 啟動(dòng)之后停止，并等待 PF82_PGOOD 釋放后繼續(xù)它自己的上電時(shí)序。它允許同步兩個(gè)設(shè)備各自的電源啟動(dòng)順序。在斷電過(guò)程中，F(xiàn)S85 應(yīng)等待 PF82 斷電程序完成后再關(guān)閉 VPRE （VPRE 正在為 PF82 供電）。OTP_VPRE_off_dly bit 應(yīng)將修改其配置，從默認(rèn)的 250μs 修改為 32ms。如圖所示：

7. PGOOD & RSTB

PGOOD 是一個(gè)開漏的輸出，用于連接到 MCU 的 PORB。PGOOD 需要一個(gè)外部上拉電阻到 VDDIO 以及一個(gè)濾波電容到 GND 以防止干擾造成誤動(dòng)作。參考下圖：

RSTB 是一個(gè)開漏的輸出，用于連接到 MCU 的 RESET。RESTB 需要一個(gè)外部上拉電阻到 VDDIO 以及一個(gè)濾波電容到 GND 以防止干擾造成誤動(dòng)作。參考下圖：

8. FS0B

FS0B 是一個(gè)開漏的輸出，用于向系統(tǒng)發(fā)出安全狀態(tài)。FS0B 需要一個(gè)外部上拉電阻到 VDDIO 或者 VSUP，F(xiàn)S0B 需要一個(gè) 10nF 的濾波電容到 GND 或者一個(gè) RC 濾波網(wǎng)絡(luò)當(dāng)其分別使用在局部或者整個(gè)全局系統(tǒng)中以防止干擾造成誤動(dòng)作。參考下圖：

三、 LAYOUT 指南  

1. 器件選型

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• SMPS 輸入和輸出電容器應(yīng)選用低 ESR （陶瓷或 MLCC 類型的電容器）。最好是 X7R 陶瓷型。輸入去耦電容器應(yīng)盡可能靠近設(shè)備引腳。輸出電容額定電壓應(yīng)選擇為 3 倍的電壓輸出值，以盡量減少直流偏差退化。

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• SMPS 電感器應(yīng)采用 ISAT 值高于最大電感器峰值電流的屏蔽型電感。

2. VPRE

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• 電感器充放電電流回路的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能靠近。

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• 輸入去耦電容應(yīng)放置在靠近高側(cè)晶體管的漏極引腳的位置。

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• Boot strap 電容器應(yīng)放置在靠近器件的引腳端，并且使用寬而短的走線連接到外部低側(cè)晶體管的漏極引腳。

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• PRE_GLS、PRE_GHS 和 PRE_SW 走線應(yīng)寬而短，不應(yīng)跨越任何敏感信號(hào)（例如電流檢測(cè)信號(hào)）。如圖所示：

• PRE_FB 作為電壓反饋和電流檢測(cè)信號(hào)，應(yīng)連接在VPRE輸出電容上，并與CSP成對(duì)走線，這樣可以減少干擾從而提高輸出精度。

3. VBUCKx

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• 電感器充放電電流回路的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能靠近。 如圖所示：

• 輸入去耦電容應(yīng)放置在接近 BUCKx_IN 引腳的位置。

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• BUCK3_FB 和 BUCK3_INQ 引腳應(yīng)連接在同一電容器上，BUCK3_IN 的的輸入源是誰(shuí)決定了 VPRE 或 VBOOST 輸出電容的選型（在下面的藍(lán)色路徑中，線圈電感是寄生于走線的。 在日中，線圈是寄生于 bonding。 ）如圖所示：