一顆PLD取代至多40個IC的分立電路設(shè)計，TI用可編程邏輯器件助力更緊湊的工業(yè)汽車應(yīng)用開發(fā)

在現(xiàn)代電子行業(yè)，隨著市場對更小尺寸和更高計算能力的產(chǎn)品需求不斷增加，工程師們正面臨前所未有的設(shè)計挑戰(zhàn)。無論是消費類電子還是汽車電子，產(chǎn)品體積縮小和功能增強的趨勢已成為設(shè)計人員無法回避的現(xiàn)實。

首先，下一代產(chǎn)品需要在更小的PCB面積中集成更多的功能和IC，這對空間的緊湊利用提出了極高要求。此外，在軟件編程方面，為了實現(xiàn)產(chǎn)品差異化，我們通常依賴于高復(fù)雜度的可編程邏輯器件，如FPGA和CPLD。這些器件雖然支持?jǐn)?shù)千個邏輯單元，但其高集成度、較大尺寸和較高功耗也為設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)，同時還需要昂貴的EDN工具和復(fù)雜的硬件描述語言（如VHDL或Verilog）進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。最后，市場上許多簡單的可編程邏輯器件缺乏汽車行業(yè)應(yīng)用所需的封裝、規(guī)格和認(rèn)證，限制了它們在汽車和工業(yè)領(lǐng)域的適用性。

為了幫助工程師應(yīng)對這些設(shè)計瓶頸的，TI推出了全新的可編程邏輯器件（PLD），從集成度優(yōu)化到新型編程工具的使用，幫助工程師有效解決這些挑戰(zhàn)，推動新一代電子產(chǎn)品的發(fā)展。

在近日召開的TPLD系列新品發(fā)布會上，德州儀器邏輯產(chǎn)品市場經(jīng)理Luke Trowbridge、德州儀器邏輯產(chǎn)品系統(tǒng)經(jīng)理Jose Gonzalez、德州儀器現(xiàn)場應(yīng)用工程師Captain Luo進(jìn)行了精彩的分享。

從傳統(tǒng)概念出發(fā)的現(xiàn)代技術(shù)創(chuàng)新——以一抵四十的TI PLD

通常意義上來說，PLD（可編程邏輯器件）是一個非常大的品類名稱，CPLD、FPGA、包括一些很古老的可編程邏輯陣列 （PLA）、通用陣列邏輯器件 （GAL）等似乎都可以在這一品類囊括其中。

而此次TI推出的PLD，以TPLD作為產(chǎn)品系列命名前綴，特指的是集成多了達(dá)40個數(shù)字和模擬邏輯元件、結(jié)合了TI最先進(jìn)的封裝技術(shù)、能夠通過TI的InterConnect Studio進(jìn)行無代碼圖形化編程的可編程邏輯IC。

需要明確的是，該品類并非為FPGA和CPLD競爭的低端競品，而是旨在替代當(dāng)前需要多個邏輯IC才能夠完成的電路設(shè)計。根據(jù)TI的市場觀察，TI的PLD能夠幫助現(xiàn)有的相當(dāng)一部分工業(yè)、汽車應(yīng)用的客戶，簡化他們的邏輯電路設(shè)計。

隨著市場對更小尺寸和更強計算能力的產(chǎn)品需求不斷增長，工程師們面臨三大設(shè)計挑戰(zhàn)。首先，下一代產(chǎn)品需要在更小的布板空間中集成更多的功能和IC，這對空間利用提出了更高要求。其次，在實現(xiàn)產(chǎn)品差異化的過程中，通常依賴于復(fù)雜的可編程器件，如FPGA或CPLD，盡管這些器件支持?jǐn)?shù)千個邏輯單元，但其高集成度和復(fù)雜性往往顯著增加了封裝尺寸、成本和功耗，同時需要昂貴的EDN工具和硬件描述語言（如VHDL或Verilog）進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。最后，目前市場上較為簡單的可編程邏輯器件缺乏汽車工業(yè)應(yīng)用所需的封裝、規(guī)格和認(rèn)證，限制了其在消費類電子以外領(lǐng)域的適用性。

“針對相對簡單但又需要傳統(tǒng)比較多的邏輯分立器件我們采用一顆TPLD去覆蓋，并且不需要復(fù)雜的邏輯編程，這是我們投資TPLD的初衷?！盠uke表示。

據(jù)悉，TI PLD具備幾大產(chǎn)品優(yōu)勢——高度集成、封裝創(chuàng)新、友好的開發(fā)軟、車規(guī)級認(rèn)證、極低的功耗表現(xiàn)。

【高集成度和超小型封裝技術(shù)，實現(xiàn)面積和BOM雙效增益】

TI的PLD芯片通過將數(shù)十個順序邏輯和模擬功能集成到單個封裝中（包括超小型引線式封裝），能夠有效減小整個方案的尺寸。對比傳統(tǒng)CANbus仲裁分立方案，一顆TPLD（TPLD1201）就可以替代整個設(shè)計，從而實現(xiàn)94%的面積縮減和80%的BOM縮減。

Luke表示，“取決于不同的應(yīng)用設(shè)計，總體來說，TI能夠?qū)⒍噙_(dá)40個邏輯元件集成到一個IC里面可以更好幫助系統(tǒng)簡化并降低整體的體積和成本。”

而Jose進(jìn)一步補充，“將多達(dá)40個邏輯的元件集成到一個IC里，可以大大簡化采購和認(rèn)證的過程。對于采用了TPLD的研發(fā)來說，只需要一款單獨的IC，對于公司的采購團(tuán)隊而言只需要采購一種類型的邏輯器件，所以這無形中也帶來了開發(fā)資源、驗證資源和采購資源的成本下降?！?

【低功耗延長電池壽命】

與市場上同類器件相比，TI的可配置邏輯器件具有極低的功耗，能耗可降低50%，且靜態(tài)電流小于1微安。Jose Gonzalez指出，功耗的降低是通過不同工作模式切換實現(xiàn)的。在非工作狀態(tài)或睡眠模式下，PLD內(nèi)部會斷開主要的邏輯器件。因此有助于電池供電終端設(shè)備顯著延長電池壽命。

【圖形化編程——InterConnect Studio實現(xiàn)設(shè)計、仿真、采購全流程】

在使用傳統(tǒng)CPLD或FPGA進(jìn)行邏輯元件集成設(shè)計時，由于VHDL和Verilog硬件描述語言的學(xué)習(xí)門檻較高，工程師會面臨復(fù)雜的編程挑戰(zhàn)。而InterConnect Studio就特別考慮了這一需求，借助簡單易用的GUI圖形界面，工程師可以在沒有任何編碼經(jīng)驗的情況下快速配置TI的PLD器件，在短短幾分鐘時間內(nèi)完成開發(fā)和仿真，從而推進(jìn)到原型設(shè)計的階段。

除了設(shè)計和仿真外，InterConnect Studio還集成了采購流程，工程師可以直接通過該平臺完成PLD器件下單。

【可靠設(shè)計支持車規(guī)場景】

由于汽車和工業(yè)應(yīng)用環(huán)境通常較為惡劣，需要滿足高溫等嚴(yán)苛條件。而TI的PLD支持-40℃至125℃的超寬溫度范圍，能夠更好地適應(yīng)這些應(yīng)用場景。此外，TPLD還達(dá)到了汽車領(lǐng)域還要求通過的AEC-Q100認(rèn)證，支持一次性可編程（OTP），為工業(yè)和汽車應(yīng)用提供了更加安全、可靠的設(shè)計方案。

一顆TPLD替代傳統(tǒng)分立邏輯器件方案，迎合小型化和集成化未來發(fā)展趨勢

在各種工業(yè)、汽車等多種應(yīng)用場景中的特定設(shè)計中，例如電源時序控制、電池過流過壓檢測、CANbus仲裁分立等，仍有很多客戶采用分立方案搭建邏輯電路設(shè)計，而現(xiàn)在一顆TPLD就可以靈活滿足這些客戶的需求。而對于一些選擇了專用ASIC的方案，Jose Gonzalez稱TPLD的靈活性會更好——例如對比電源時序?qū)Ｓ肁SIC，“dedicate的這種時序IC來說，它的應(yīng)用靈活性就會受制。我們集成了邏輯門在里面，還有比較器，很容易地結(jié)合外部的一些條件比如溫度、電壓電流這些條件去決定我的時序是power on還是power off，因此靈活性更好?！?

在發(fā)布會現(xiàn)場，Jose為我們詳細(xì)展示了如何通過一顆TPLD來替代CANbus仲裁分立方案。首先在InterConnect Studio中，在左側(cè)的菜單欄中點擊對應(yīng)元件旁邊的加號，即可實現(xiàn)不同元件添加。然后通過簡單的拖放操作，即可在元件之間建立連接，并在主窗口下方的菜單中對其進(jìn)行進(jìn)一步微調(diào)。

如上圖所示，電路圖左側(cè)和右側(cè)分別有兩個輸入和輸出（TX1/RX1和TX2/RX2），這是典型的CAN總線的發(fā)送和接收端口。中間部分的電路圖使用了多個邏輯門（例如與門、或門）和反相器等，分別標(biāo)注為SN74LVC系列芯片。其中包括了分立元件如電阻、電容（R1、R2、C1、C2）來實現(xiàn)信號處理功能。而整個的電路都可以在InterConnect Studio中通過對TPLD1201的點擊、拖拽，在幾分鐘內(nèi)完成快速的電路設(shè)計編程。

在完成設(shè)計電路并運行仿真后，客戶只需按下CONFIGURE TPLD按鈕，就可以通過TPLD編程器和評估模塊輕松地臨時配置器件。如果客戶完成了最終設(shè)計，想要想要對器件進(jìn)行永久編程，可通過勾選菜單中復(fù)選框來實現(xiàn)。

對比分立式元件的CANbus仲裁分立方案：總計需要5個元件，占用44.14平方毫米的面積。而一顆TI PLD的方案：僅需1個元件，占用2.56平方毫米的面積。最終實現(xiàn)了80%元件數(shù)減少、94%面積減少、50%無源器件減少。

對于需要程序預(yù)燒寫的量產(chǎn)出貨客戶，可以將設(shè)計固件給到TI，由TI完成批量固件的燒寫。而這種TPLD器件的型號會在后綴上加上客戶特有代碼來進(jìn)行區(qū)分，從而能夠保證客戶的唯一性。

結(jié)語

邏輯器件在電子電路中起到了核心連接和控制作用，因此被稱為每個電子產(chǎn)品設(shè)計的“粘合劑”。而由于邏輯器件相對于系統(tǒng)中的其他元件具有高度的標(biāo)準(zhǔn)化和通用性，因此也常常是作為系統(tǒng)設(shè)計選項中的最后部分，在系統(tǒng)的關(guān)鍵功能、架構(gòu)和性能需求確定之后再進(jìn)行選擇。

但這不意味著它們能夠被忽視或隨意挑選?；谡麄€設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計正在趨向于追求更極致的高功率密度、高算力密度的同時，在考慮選項時，優(yōu)先選擇TI的PLD將會為客戶的電路板上更多功能留出足夠空間。

Luke表示，TI在封裝上的投資和創(chuàng)新，帶來了最小的引線封裝DYY Package，這使得TPLD尺寸更加緊湊；用一顆邏輯器件替代以往需要比較復(fù)雜的幾顆到十幾顆器件的設(shè)計，TPLD也就達(dá)成了更高的集成度?！盎诂F(xiàn)在我們對于產(chǎn)品的本身系統(tǒng)需要去簡化、需要去小型化的大背景下，答案是肯定的，PLD小型化和集成化是一個未來的發(fā)展趨勢?！?