為最新的微控制器週邊添加智慧與彈性的設計

Microchip MCU8產品部亞洲業務拓展經理徐進

新一代8位元微控制器添加了可配置邏輯單元(CLC)、互補波型訊號產生器(CWG)、互補輸出產生器(COG)、數字控制振盪器(NCO)與程式化交換式電源控制晶片(PSMC)。不僅補足了以往低接腳數微控制器所缺乏的功能，並且協助設計人員擴充產品功能、縮減設計尺寸並降低成本，在廚房家電、照明、電動工具和智能電表等應用上，能顯著減少功耗…

功能區塊模組介紹與CLC可配置邏輯模組的應用

Microchip MCU8產品部亞洲業務拓展經理徐進，於論壇中介紹Microchip在8位元MCU增加的五大功能區塊模組。可以用較少對針腳數，達成許多彈性化功能；像可配置邏輯單元(Configurable Logic Cell；CLC)、互補波型產生器(Complementary Waveform Generator；CWG)、互補輸出產生器(Complementary Output Generator；COG)、數字控制振盪器(Numerically Controlled Oscillator；NCO)與最新加入的程式化交換電源控制晶片(Programmable switch Mode Controller；PSMC)。

像CLC可配置邏輯單元可以容易客製化、創造出顧客想要的循序邏輯閘組合，像是AND/OR/XOR/NOT/NAND/NOR/XNOR等，以及搭上D(資料)、SR(System Register系統暫存器)、JK等功能狀態訊號。每個CLC支援最多16組輸入訊號與一組輸出訊號，即使晶片處於睡眠模式下也能運作。CLC效益在於直接在晶片上增加週邊與I/O訊號的互連性，整合硬體功能節省PCB版面積，軟體控制循序邏輯閘的配置組合，並節省程式碼空間與CPU執行週期。

像20pin PIC12F150系列MCU晶片就具備四個CLC，過去系統設計上所需的555 Timer、Glue Logic、Encoder IC與Sequential Logic等小零件，在PIC MCU可以直接以CLC內建配置出這些小零組件的功能，進而降低整體BOM成本。Microchip在網站上可以下載CLC Configuration Tool GUI(圖形化介面的組態工具程式)，可以用滑鼠、選單點選的方式，輕鬆做CLC的程式化配置。

徐進說明CLC可應用在MCU內部做到訊號升緣延遲(Rising edge Delay)、降緣延遲(Falling edge Delay)及升╱降緣延遲(Rising and Falling edge delay)，直接比較電路(Comparator Direct Output)或觸發比較電路(Comparator Edge Trigger)，使用3個CLC模組(PIC16F1509)搭配NCO做成的無故障(Glitch Free)時脈輸出線路，用CLC做輸出訊號腳位的繞線處理(Re-route)，可升壓的功率因素修正電路(Boost PFC Circuit)可以完全用單顆PIC微控制器去實作，藉由Rsense感測電阻感測電流量，經過串接PWM功率晶片、SR系統暫存器透過CLC模組進行邏輯串聯連動，達成PFC電路的電壓調整輸出。Microchip已提供採PIC10F322 MCU設計的10F322展示工程板，年底還會有更多CLC應用的工程板的推出。

CWG與COG的設計應用

徐進接著介紹CWG互補波型產生器與COG互補輸出產生器模組的設計應用。CWG互補波型產生器可以搭配比較電路(Comparator)、PWM、CLC或NCO為輸入訊號，來設計出自動重置(Auto Shutdown and Restart)、極性防護(Polarity Control)、不動作區段控制(Deadband Control)電路。CWG除了可搭配多種週邊訊號源運作之外，用較少的元件，並搭配16MHz時脈獲得較精準的時脈解析度，也可以搭配CLC來實作出系統所需要的COG互補輸出產生器的功能。

至於COG互補輸出產生器模組則僅搭配比較電路(Comparator)與PWM輸入訊號，同樣具備可搭配多種週邊訊號運作、較少的元件與搭配16MHz較精準的時脈解析度的設計效益，COG除了設計自動重置電路、極性防護控制電路、不動作區段控制電路(Deadband Control)之外，還多加了輸出訊號延遲的相位控制(Phase Control for output delay)，以及交換式電源濾波時的Blanking Control應用。

徐進展示一個由Microchip跟勁量(ENERGIZER)合作開發的高亮度LED手電筒，LED控制線路由PIC12F752、MCP1703、MCP14628等元件所設計，搭配CREE的1000燭光LED磊晶與勁量鋰電池所組成。此手電筒能源轉換效率達90%，並提供多種亮度模式，在1000燭光下功耗僅10瓦，可持續使用1.5小時，最低亮度60燭光下功耗0.6W可持續使用18小時。另外也有個以PIC12F752 MCU搭配內部COG、快速比較電路與DAC轉換電路，加上MCP1416 FET功率晶片與Cree LED磊晶所設計的20W可調光LED驅動電路板，具備Active 0.95 PFC與85%以上的能源轉換效率，搭配DALI/DMX512或無線遠端遙控調光技術，做到亮度從0~100%全區域的可調整能力。

NCO與PSMC模組的設計應用

Microchip的NCO模組設計上，達到17位元頻率解析度，可搭配高解析度PWM晶片，做50% Duty降半速時脈輸出，或脈衝頻率調變(Pulse Frequency Modulation；PFM)模式的全區域時脈調整。傳統PWM頻率調整僅為8位元、256段頻率區間的非線性調整模式，NCO可以做到16位元(65,536)個區間線性調整，搭配其他訊號的累加控制，可達到20位元(1,048,576)的頻率區間調整。Microchip正申請專利的高解析精度PWM線路，藉由時脈、PWM、Comparator與外接Pin訊號串接CLC模組與NCO模組，達到17位元線性化頻率調整精度(131,072個段為調整)的PWM。不僅提供較高的時脈訊號輸出，減少電感線圈與電容零件數量，並可產生時脈抖動(Jitter)以改善EMC電磁輻射。

NCO模組可應用在高輸出電源密度的諧振半橋接式電源供應器(Resonant Half-Bridge Power Supply)的設計。以PIC1xF150X MCU內部的NCO、CWG搭配Comparator比較電路設計，可以善用NCO的線性化調整特性，達成控制簡單化、執行快速與更低延遲的迴路電源輸出。徐進展示了由PIC16F1508 MCU、MCP1416設計的100W諧振半橋電源供應迴路，達到90%的能源轉換效率以及0~100%全區域亮度調整功能。

PSMC程式化交換電源控制晶片模組，可搭配外接、內或獨立64MHz等多樣化的時脈訊號，與Comparators、外接pin腳的多樣化輸入訊號，同時達到Blanking Control，最多六組單一型16位元精度PWM功能，或外接3個可操縱訊號線配對的互補型16位元精度PWM功能。PSMC可作讀獨立升緣？降緣控制，不動作區段的獨立升緣？降緣控制，極性防護？自動重製電路設計，彈性化的PWM時脈輸出模式，以及輸出作用？非作用的閘道器控制。像是應用在可客製化的超高速PWM、馬達控制、燈光與電源供應器設計。

像是以PIC16F17xx MCU內部的PSMC模組設計的LED降壓轉換器(LED Bulk Converter)，達成高速、高能源轉換效率，並減少OpAmp、參考電壓晶片、電感、電容與電阻等零組件數量以降低BOM表成本。徐進展示一個10W Wireless LED Driver設計應用範例，採用內部整合8-bit DAC、PSMC與OpAmps零件功能的PIC16F1783 MCU，搭配MCP1416 FET Driver、MCP16322功率晶片的設計，提供9-24V DC輸入與24V DC輸出，能源轉換效率90%；這個LED驅動電路可搭配MRF24J40MA MiWi無線遙控模組，以無線遙控來調整亮度？啟閉功能。

Microchip 8位元微控制器家族介紹

徐進揭露Microchip 8位元微控制器家族藍圖，從6pin的PIC10F32X系列，內建896Bytes Flash、64Bytes SRAM的業界超低功耗核心，內建3組8bit A/D、2組PWM與CLC、CWG、NCO等功能模組，應用於邏輯控制、玩具？照明、電子膠(Electronic Glue)與一次性？可拋棄式應用。往上8/14/20pin的PIC1XF150X系列，全系列內建16 MHz內部振盪器與溫度指示器，工作模式功耗小於30 µA/MHz，休眠模式下低於20 nA。

8pin PIC12F1501提供1.75KB Flash/64Bytes SRAM，4組10bit A/D、1x Comp、DAC、2組 CLC、CWG、NCO與4x PWM，14pin PIC16F1503提供3.5KB Flash/128Bytes SRAM、8x 10bit A/D、DAC、2x Comp、MSSP、CLC/CWG/ NCO與4x PWM。至於20pin PIC16F1507提供3.5KB Flash/128Bytes SRAM、12x 10bit A/D DAC、2組CLC/CWG/ NCO與4x PWM，PIC16F1508提供7KB Flash/256Bytes SRAM、12bit A/D DAC、2組Comp、EUSART、MSSP電路，4組CLC/CWG/ NCO與4x PWM功能模組，最高階的PIC16F1509提供14KB Flash/512Bytes SRAM、12bit A/D DAC、2組Comp、EUSART、MSSP電路，I2C/SPI串列介面，4組 CLC/CWG/ NCO與4x PWM功能模組等。

PIC12F752與PIC16F753全系列內建兩組40ns的快速比較電路(Comparator)、5位元DAC、COG功能模組與自我寫入快閃記憶體，工作模式功耗小於45 µA/MHz，休眠模式下低於10 nA。8pin PIC12F752提供1.75KB Flash/64Bytes SRAM，4組10bit A/D，2組Fast Comp、5bit DAC/CCP與COG；14pin的PIC16F753提供3.5KB Flash/128Bytes SRAM、8組10bit A/D DAC、2組Fast Comp、Op Amp、9bit DAC/CCP與COG模組。

至於PIC16F178X全系列內建可程式化交換電源控制器(Programmable Switch Mode Controller ,PSMC)，具備16位元精度的PWM配置能力，獨立時脈訊號來源以及12bit ADC與8bit DAC；同時亦提供操作放大線路(Operational Amplifiers；Op Amps)與高速比較電路。工作模式功耗小於32 µA/MHz，休眠模式下為50 nA。

28Pin的PIC16F1782提供3.5KB Flash/256Bytes EEPROM/256Bytes SRAM、2組PSMC、11x 12bit A/D DAC &8bit DAC、2組OpAmp、3組Fast Comp電路功能，PIC16F1783提供7KB Flash/256Bytes EEPROM/512Bytes SRAM、2組PSMC、11x 12bit A/D DAC &8bit DAC、2組OpAmp、3組Fast Comp功能，PIC16F1786提供14KB Flash/256Bytes EEPROM/1KB SRAM、3組PSMC、11x 12bit A/D DAC &8bit DAC、2組OpAmp、4組Fast Comp功能，PIC16F1788提供28KB Flash/256Bytes EEPROM/2KB SRAM、4組PSMC、11x 12bit A/D DAC &8bit DAC、3組5bit DAC、2組OpAmp、4組Fast Comp功能，40pin的PIC16F1784提供7KB Flash/256Bytes EEPROM/512Bytes SRAM、3組 PSMC、14組12bit A/D DAC &8bit DAC、2組 OpAmp、3組Fast Comp功能，PIC16F1787提供14KB Flash/256Bytes EEPROM/1KB SRAM、3組 PSMC、11組12bit A/D DAC &8bit DAC、2組OpAmp、4組Fast Comp功能；PIC16F1789提供28KB Flash/256Bytes EEPROM/2KB SRAM、4組PSMC、14組12bit A/D DAC &8bit DAC、3組5bit DAC、3組OpAmp、4組Fast Comp功能。

徐進最後提到Microchip提供MicrostickⅡ硬體開發套件，大小與一般插USB隨身碟相當，且以USB供電。開發板具備除錯器與燒錄器，使用燈號、重置鈕、DUT插槽便於裝置交換，以及能插入任何原型工程板內。