32-Bit-Mikrocontroller zum günstigen Preis Einstieg in die ARM-Welt

Gerade im kostensensiblen Bereich finden sich immer noch sehr viele 8-Bit-Mikrocontroller, weil 32-Bitter zu teuer erscheinen. Ein neuer 32-Bit-Core möchte von diesem Kuchen ein großes Stück abhaben.

Halbleiter im Automobil müssen über lange Zeit bei hohen Temperaturen arbeiten, und dies bei Sperrschichttemperaturen, die kurzzeitig mehr als 200 °C ereichen können. Moderne Gehäuse verringern den thermischen Widerstand. Sie sorgen für eine bessere Wärmeableitung und damit für eine geringere Betriebs- und Sperrschicht-Temperatur.

32-Bit-Mikrocontroller zum günstigen Preis

Gerade im kostensensiblen Bereich finden sich immer noch sehr viele 8-Bit-Mikrocontroller, weil 32-Bitter zu teuer erscheinen. Ein neuer 32-Bit-Core möchte von diesem Kuchen ein großes Stück abhaben.

Wie alle Elektronik unterliegt auch die Automobilelektronik dem Trend zur Miniaturisierung. Die gemeinsame Integration von Steuerlogik und Leistungsstufe in einem Gehäuse sorgt einerseits für kleinere Abmessungen. Andererseits steigen damit die Ansprüche an die Gehäuse, die ohnehin schon höchsten Anforderungen genügen müssen. Ein solches Halbleitergehäuse muss nicht nur über eine gute Wärmeableitung für den Leistungs-Chip verfügen, es muss auch den Steuer-Chip elektrisch von den hohen Spannungen und Strömen des Leistungs-Schaltkreises isolieren können. Durch den Trend zur Miniaturisierung ist die Wärmeabfuhr schwieriger in den Griff zu bekommen, denn die für die Wärmeableitung verfügbare Fläche schrumpft, während die abzuführende Leistung gleich bleibt oder sogar noch ansteigt.

Aber nicht nur die thermische Energie pro Bauteilvolumen steigt. Die Elektronikschaltungen stoßen auch in solche Einsatzgebiete innerhalb des Autos vor, wo höhere Temperaturen vorherrschen: vom Inneren des Getriebes (200 °C) über die Montage am Zündkerzenstecker (165 °C), den Motorraum (150 °C) bis hin zum Einsatz im relativ harmlosen Umfeld des Passagierraums (maximal 80 °C). Man geht davon aus, dass ein Auto im Laufe seines Lebens in etwa 6000 Kaltstarts bewältigen muss, wobei die Temperatur im Motorraum von –40 °C auf 150 °C ansteigen kann. Aufgabe des Gehäuses ist es auch, das Silizium vor den extremen Temperaturen der Umgebung und den damit verbundenen Beanspruchungen zu schützen.

Der Trend zur Miniaturisierung von integrierten Schaltungen und deren Einsatz bei höheren Umgebungstemperaturen setzen ein fundiertes Verständnis der thermischen Grenzwerte und der Wärmeableitung bei Leistungshalbleitern voraus. Nur so lässt sich sicherstellen, dass ICs auch in Zukunft mit der Zuverlässigkeit funktionieren, die die Automobilbranche voraussetzt. Das Halbleiter-Gehäuse ist mehr als nur ein reiner Chipträger und Verbindungselement zur Platine.

ARMs »Cortex-M3« ist ein Low-Cost-Prozessor, der sich für Systeme mit wenig Speicher, reduzierter Pinanzahl und niedriger Leistungsaufnahme eignet. Gleichzeitig weist er laut Hersteller eine Rechenleistung von 1,2 Dhrystone-MIPS pro Megahertz und eine niedrige Interrupt- Verzögerung auf. Nur 33 000 Logikzellen ist der Core groß und damit der kleinste von ARM entworfene Prozessorkern. Dieses Design verringert die Chipfläche, sodass sich kleine Bauteilgehäuse oder preiswertere Fertigungsprozesse mit 0,35 µm beziehungsweise 0,25 µm verwenden lassen.

Mithilfe des »Thumb«-Befehlssatzes lässt sich die erforderliche Codegröße reduzieren, indem er 16-Bit-Befehle mit ARMs 32-Bit- RISC-Architektur verbindet. Der »Thumb-2«-Befehlssatz ist binärkompatibel mit bereits bestehenden Thumb-Implementierungen und unterstützt zusätzlich Hardware- Divisions- und 1-Takt Multiplikationsbefehle, DSP-typische Features, die normalerweise nicht bei Mikrocontrollern zu finden sind. Erweitert werden diese 16-Bit-Befehle mit 32-Bit-ARM-Befehlen, sodass man einen kompakten Befehlssatz zusammenstellen kann, der effizient von Hochsprachen unterstützt wird. Dies ist ein wichtiges Argument für die Verwendung von 32-Bit-Architekturen. Mit Thumb-2 lassen sich Codedichten erreichen, die normalerweise nur 8-Bit-Mikrocontroller erreichen – aber bei voller 32-Bit-Leistung. Bild 1 verdeutlicht dies mit den Ergebnissen des EEMBC-Benchmarks.

Als 32-Bit-Prozessor hat der Cortex-M3 ein Speicheradresslimit von 4 GByte. Praktisch kommt eine Mikrocontrollerapplikation jedoch niemals an diese Grenze heran. Diesen ungenutzten Bereich nutzt ARM für die »Bit-Banding«-Technik und adressiert so Speicher, Peripherie oder SRAM-Adressräume mit Speicheraliasing. Mit dieser Technik lassen sich einzelne Bits innerhalb eines Datenwortes extrem einfach manipulieren. Anstatt ein ganzes Wort einzulesen, es mit dem entsprechenden Bit zu »verUNDen« und es danach zurückzuschreiben, absolviert Bit- Banding dies mit einem einzigen Speicherbefehl.

Thermische Einflüsse auf das Silizium

Höhere Temperaturen beeinträchtigen die Leistungsdaten von Leistungshalbleitern. Bei MOSFETs (Metall Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) steigt der Drain-Source-Durchlasswiderstand RDS(on) mit zunehmender Temperatur, was wiederum in einer höheren Verlustleistung resultiert. Mit zunehmender Temperatur steigt auch die Drain-Source-Durchbruchspannung UDS(br), aber auch die Leckströme des Bauteils, wobei letztere exponentiell zunehmen. Gleichzeitig steigt die Schwellspannung (Threshold Voltage, Uth) mit zunehmender Temperatur, und es wird schwieriger, den MOSFET bei hohen Temperaturen wieder abzuschalten.

Bei PIN-Dioden (Positive Intrinsic Negative) sinkt die Durchlassspannung mit steigender Temperatur, es steigen Sperrverzögerungsladung (Reverse Recovery Charge, Qrr) und -zeit (Reverse Recovery Time, trr) mit zunehmender Temperatur. Bei PT-IGBTs (Punch Through – Isolated Gate Bipolar Transistor), wie sie beispielsweise in Zündsystemen zum Einsatz kommen, sinken die Sättigungsspannung UCE(sat) und die Schwellspannung mit zunehmender Temperatur. Steigen die Schaltzeiten bei der Ansteuerung induktiver Lasten, erhöhen sich Leckströme exponentiell mit zunehmender Temperatur und es steigt die Drain-Source-Durchbruchspannung.

Für Leistungshalbleiter stellt die Sperrschichttemperatur (Junction Temperature, Tj) den kritischsten Faktor dar. Die meisten Ausfälle beruhen darauf, dass Tj überschritten wird. Die Gleichung verdeutlicht den Zusammenhang zwischen Leistung und Temperatur:

ΔT = Rth {(Uein x Iein) + ∫ [U(t) x I(t)] dt}

ΔT ist der Temperaturunterschied in °C zwischen der Sperrschichttemperatur und einer Bezugstemperatur an einer als ideal angenommenen Wärmeabführung. Im Falle des Automobils ist diese Bezugsgröße die Temperatur der einströmenden Luft. Die für Fahrzeuge klassische Bezugstemperatur ist 50 °C (122 °F) [Phoenix, AZ]. Aber diese Luft dient zur Kühlung des Motors über das Kühlsystem. Im Allgemeinen sehen Elektronikmodule im Motorraum daher eine wesentlich höhere Bezugstemperatur. Nimmt man Leistungshalbleiter in modernen Schaltungen für den Antriebsstrang (Powertrain), so liegt hier die Bezugstemperatur bei 105 °C, nämlich bei der Temperatur, mit dem Luft über den Kühlkörper des Moduls strömt. Die Tabellen 1 und 2 zeigen einige typische Bedingungen in der Automobiltechnik. Die Platinentemperatur erreicht manchmal bis zu 135 °C.