Mikrokontrolery w małych obudowach

Rys. 1. Dół obudowy typu 16QFN z widocznymi pinami i ramką

Miniaturyzacja baterii nie jest łatwa z uwagi na wiele rozwiązań natury fizycznej, stąd wiele zmian na rynku w tym obszarze można zaobserwować w zakresie mikrokontrolerów. Dostępna technologia półprzewodnikowa jest dzisiaj na tyle zaawansowana, że rozmiar struktury MCU odpowiedzialny za funkcje tego układu determinowany jest głównie przez wielkość pamięci wbudowanej w chip, liczbę dostępnych układów peryferyjnych i pola kontaktowe wyprowadzeń.

Te trzy obszary zajmują większą część krzemu, nierzadko znacznie większą niż sama jednostka ALU. Z uwagi na liczne ograniczenia związane z montażem (pakowaniem) struktury w obudowie, koniecznością zapewnienia odprowadzania ciepła, co jest istotne nie tylko przy wydajnych jednostkach i koniecznością realizacji kontaktów, zmniejszenie wielkości struktury tylko w niewielkim stopniu przenosi się na mniejsze wymiary całości.

Wprawdzie może się wydawać, że sprzęt zasilany z baterii i pobierający znikomą moc nie powinien mieć problemu z rozpraszaniem ciepła, niemniej należy pamiętać, że wiele aplikacji pobiera moc w sposób skokowy: przez długi czas prawie wcale, a przez krótką chwilę wielokrotnie więcej w stosunku do średniego poboru mocy. W tych momentach, gdy układ pracuje z pełną wydajnością, konieczne jest zatem sprawne odprowadzanie ciepła, bo sama struktura ma pomijalnie małą pojemność cieplną i mogłaby się przegrzać.

Ponieważ ciepło ze struktury odprowadzane jest w dużej mierze przez ramkę montażową, tworzącą tzw. przelotkę cieplną ze struktury do ścieżek na płytce drukowanej oraz w części też przez piny, miniaturyzacja struktury półprzewodnikowej niekoniecznie przekłada się na to, że może ona zostać umieszczona w proporcjonalnie mniejszej obudowie układu scalonego. Rzut oka na przykładowe rozwiązania pokazuje, że piny i ramka mocująca strukturę zajmują większą część podstawy (rys. 1). W obudowach CSP takiej ramki nie ma wcale.

Przykładem mikrokontrolera o niewielkich wymiarach przeznaczonego do opisanych zastosowań jest 32-bitowy Kinetis KL02 z rdzeniem ARM Cortex M0+ (fot. 2). Jego struktura zajmuje 1 mm², a obudowa typu Chip Scale Package (CSP) z 20 wyprowadzeniami ułożonymi w siatkę 4×5 ma wymiary 1,9×2 mm - czyli też niewiele w wartościach bezwzględnych, niemniej kilkakrotnie więcej w porównaniu do krzemu.

Odległość pomiędzy pinami wynosi jedynie 0,4 mm. Układ jest taktowany zegarem 48 MHz i pracuje w zakresie temperatur od -40 do +105°C, co pozwala na wykorzystanie w wielu aplikacjach, nie tylko konsumenckich. Mimo małych wymiarów producent wbudował do wnętrza interfejsy I²C, SPI, UART o niskim poborze mocy, 12-bitowy przetwornik A/C, timer i układ DMA.

Fot. 2. Kinetis KL02 w obudowie CSP

Układ może być zasilany napięciem z zakresu 1,7-3,6 V (jedno ogniwo litowe) i zawiera do 32 KB pamięci Flash i do 4 KB RAM w zależności od wersji. Funkcjonalność mikrokontrolera determinują ponadto szybki komparator, czujnik temperatury, 6-bitowy DAC, dwa 16-bitowe, 2-kanałowe układy PWM, zegar RTC z kalendarzem. Jak widać, w stosunku do liczby wyprowadzeń możliwości układu są dość duże. Wykorzystanie tak szerokiego zakresu układów peryferyjnych nie byłoby możliwe bez możliwości przypisywania poszczególnych wyprowadzeń do konkretnych funkcji (tzw. flexible IO).

Przykładem innego układu o większych możliwościach, ale również małej obudowie, może być seria SAM G51 firmy Atmel, bazująca na rdzeniu M4 z wbudowanym koprocesorem arytmetycznym. Są one taktowane zegarem 48 MHz i mają wbudowane do 256 KB Flash i do 64 SRAM w zależności od wersji.

Układy peryferyjne to m.in. interfejsy USART, 2×UART, 2×TWI, dwa SPI, a także 16-bitowy 3-kanałowy timer, 12-bitowy przetwornik A/C. Główne parametry dwóch mikrokontrolerów z tej rodziny pokazano w tabeli. Mikrokontrolery SAM G51 przeznaczone są do aplikacji konsumenckich i przemysłowych i zamykane w dwóch obudowach: 49-wyprowadzeniowej WLCSP (3×3 mm z pinami w układzie 7×7 z rastrem 0,4 mm) i 100-końcówkowej LQFP (14×14 mm z rastrem końcówek 0,5 mm).

Inna rodzina mikrokontrolerów Atmela SAM4S bazująca na ARM Cortex-M4 taktowana jest zegarem 120 MHz i zawiera aż 2 MB Flash i maks. 160 KB SRAM. Zawiera m.in. port USB full-speed, interfejs MCI do kart pamięci, USART, dwa TWI, trzy SPI, I²S, PWM, RTC, a także 12-bitowe przetworniki A/C i C/A oraz komparator analogowy.

Układy te oferują nawet 79 linii IO z możliwością generowania przerwań i są dostępne w obudowach zawierających 100 wyprowadzeń: LQFP, 14×14 mm, raster 0,5 mm, TFBGA, 9×9 mm, raster 0,8 mm i VFBGA, 7×7 mm, raster 0,65 mm. Inna grupa to 64-końcówkowe: LQFP, 10×10 mm, raster 0,5 mm, QFN, 9×9 mm, raster 0,5 mm, WLCSP, 4,42×3,42 mm, raster 0,4 mm (SAM4S16/S8) i WLCSP, 3,32×3,32 mm, raster 0,4 mm (SAM4S4/S2). Z kolei układy 48-pinowe pakowane są w LQFP, 7×7 mm, raster 0,5 mm i QFN, 7×7 mm, raster 0,5 mm.

Trendy

Tabela. Mikrokontrolery Atmela w małych obudowach

Nowe obudowy typu CSP mają także niewielką wysokość, co sugeruje, że w przyszłości producenci mogą zaoferować nowe układy wyposażone w dużą pamięć lub jednostkę FPGA, co zostanie osiągnięte metodą spiętrzania struktur (układania jednej na drugiej w stos). W takim stosie połączenia międzystrukturowe realizowane są za pomocą przelotek TSV (through silicon via), co na rynku jest stosunkowo nową technologią, która dopiero zaczyna się upowszechniać.

Układy typu 3D w niedalekiej przyszłości wyznaczą kolejne rekordy miniaturyzacji i mogą doprowadzić do tego, że na płytce drukowanej poza strukturą 3D będą tylko złącza i elementy pasywne. Niemniej nie są one panaceum na wszystkie problemy, bowiem na razie duży koszt, problemy z transportem ciepła i niezawodnością skutecznie trzymają je w obszarze rozwiązań perspektywicznych na kolejne lata.

Digi-Key Electronics
www.digikey.pl