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作者：Brandon Lewis

物联网 (IoT)、机器人技术、计算机视觉及工业应用的开发人员，正面临着日益增长压力，需要在高度互联的边缘设计中嵌入智能化功能。对于项目交付周期紧张的团队，这种压力已超出应用软件开发范畴。挑选能够同时运行 Linux 等高阶操作系统与确定性实时功能的硬件本就极具挑战；而当需要将智能化功能改造集成至现有基础设施时，如工业自动化和智能建筑应用，还需满足额外的平台适用性要求。

开发人员需要的是一个熟悉、成熟、灵活且功能强大的平台，用于进行快速原型设计和开发生产就绪型设计。

本文探讨开发人员在网络边缘面临的数据处理与项目改造挑战，并展示如何使用Arduino单板计算机 (SBC) 来应对这些挑战。

为什么边缘智能在资源受限下难以实现

“ 边缘智能在本地完成 AI 推理与决策，可降低连接依赖、提升隐私并实现超低延迟，但受算力、功耗与散热三重限制。”

边缘智能包括在本地平台上运行的人工智能（AI）推理和决策。基于边缘的智能核心优势包括：降低对持续在线连接的依赖、提升隐私与安全性以及实现超低延迟，所有这些优势都将惠及机器人与工业安全系统的设计人员。

对于机器人设备，边缘智能可实现实时运动控制、避障与自适应行为，提供自主运行所必需的确定性响应时间。对于工业安全系统，边缘智能可实现即时危险检测、预测性维护与快速停机，从而最大限度减少设备损坏、降低工人作业风险。总之，边缘智能提供了实时 AI 应用所需的响应性、弹性与可靠性。

但有限的硬件资源带来了显著约束。云端系统可按需扩展，而边缘智能必须在板载处理能力与功耗预算、散热限制之间取得平衡。计算机视觉、传感器融合与机器人控制等实时 AI 工作负载，可能耗尽处理资源，导致功耗增加与发热量上升。处理器过热会导致推理性能下降、系统不稳定或触发热节流 —— 当处理器温度过高时，会自动降速以实现散热。

当边缘系统采用电池、移动电源系统或其他受限电源供电时，功耗预算限制同样至关重要，此时能效将直接影响系统的运行时长与可靠性。设备改造往往会带来诸多挑战。现有平台通常空间有限，难以加装 AI 加速器、冷却系统或额外存储器。传统系统可能存在过时或专有接口，需要通过适配器或定制集成才能将现代硬件与原有技术的对接。

采用SBC快速开发与成功改造的 4 项优势

“ SBC 将处理器、内存、网络与外设接口集成在单块 PCB 上，开箱即用、接口预验证，无需定制板卡即可开发。”

边缘智能可以通过 SBC 实现。这类紧凑型嵌入式计算平台将处理器、存储器、存储接口、网络功能及外设连接功能集成在单块印刷电路板 (PCB) 上，使其非常适合边缘应用。

SBC 平台开箱即用，包括操作系统 (OS)、网络协议栈、摄像头接口、存储支持与硬件加速功能，无需进行定制化板卡设计。SBC 通常配备经过验证的 I/O 接口与预验证接口，且得到现有软件生态系统的全面支持。总之，其功能比独立嵌入式控制器更丰富，且通常运行开源 Linux 系统。

对于改造项目而言，搭配实时处理资源的单板计算机 (SBC) 能够可靠地与传统传感器、执行器及接口进行交互，同时为任务调度、数据处理或任务响应提供可预测的时序。智能化平台也能为改造项目带来巨大优势，但它们对智能边缘应用提出了严苛要求，包括紧凑的外形、异构计算架构下较高的每瓦性能 (PPW) 以及较低的热设计功耗 (TDP)。

异构计算将专用处理器与其最擅长处理的任务相匹配。这不仅缓解了传统架构的性能瓶颈，还能在资源受限的环境中实现实时响应、节省功耗与高性能计算。高 PPW 性能有助于满足受限的功耗预算，使 AI 推理能够与传感器融合实时地并行运行。低 TDP 至关重要，因为过热会降低系统可靠性、增加硬件损坏风险或触发热节流。

SBC 能够更轻松地满足所有这些改造要求。对于物联网和工业应用，全面的有线和无线连接选项可降低系统扩展需求并简化集成。对于机器人和计算机视觉系统，高速图像信号处理与 AI 推理能力能够实现具备确定性响应特性的实时导航、目标检测与自主决策。

Arduino UNO Q 的 CPU＋GPU＋实时 MCU 架构解析

“ 双架构 SBC 用 CPU/GPU 跑 AI 推理，用 MCU 保证实时控制，如 Arduino UNO Q。”

微控制器单元 (MCU) 具备出色的实时硬件控制能力，因此许多 SBC 设计人员将其与功能强大的CPU 搭配，构建双架构平台。例如，Arduino 的 UNO Q（图 1）就是这样一款 SBC，它集成了 Qualcomm 的 Dragonwing QRB2210 处理器（运行获得上游支持的完整 Debian Linux 操作系统）与专用 STMicroelectronics 的 STM32U585 MCU（在 Zephyr 操作系统上运行 Arduino sketches），兼具后者的实时响应能力。高能效的 Dragonwing QRB2210 处理器搭载四核 Arm Cortex-A53 CPU（最高主频 2.0 吉赫兹 (GHz)）与 Adreno 图形处理器 (GPU)。AI 推理可以在 GPU 和 CPU 上运行。

其内置的双路 1300 万像素 (MP)、30 帧/秒 (fps) 图像信号处理器 (ISP)，支持完整的图像流水线处理，适用于机器视觉等高级功能。集成的数字信号处理器 (DSP) 子系统可进一步支持轻量级 AI 推理与多媒体处理。无风扇设计简化了被动散热管理。

Arduino UNO Q 的两个版本均兼容传统 Arduino 扩展板与配件。ABX00162 配备 2GB 存储器与 16GB 嵌入式多媒体卡 (eMMC)，最适合高性价比的专用轻量型应用；ABX00173 配备 4GB 存储器与 32GB eMMC，支持计算机视觉、图形处理与边缘计算应用。后者可提供流畅的独立桌面体验，支持多任务高级进程、复杂 AI 模型运行或扩展本地存储。

Arduino UNO Q 采用典型的 Arduino 设计，板载用户可控 RGB LED 与 8×13 蓝色 LED 点阵，可实现快速状态指示。Wi-Fi 5 与蓝牙 5.1 提供远程控制或数据监测所需的无线连接能力。7 VDC 至 24 VDC 电源输入（通过专用引脚而非 USB-C 接口）可直接连接传统电源轨，无需额外 DC-DC 降压转换器。

Arduino App Lab 将 SBC 与微控制器的“双架构”整合在一个专用的集成开发环境 (IDE) 中。采用这种一体化方法，工程师能够在统一工作流中开发、管理和部署 SBC 与 MCU 的应用程序，以降低用户的使用门槛。

如何扩展 Arduino UNO Q？无焊 Modulino 模块与工业接口扩展方案

“ Arduino UNO Q 保留标准 UNO 排针，新增板底高速连接器与板载 Qwiic 接口，可无焊接入工业总线。”

Arduino UNO Q 沿用 Arduino UNO 经典的外形尺寸与排针布局，同时将平台能力拓展至智能边缘与工业应用领域（见图 2）。兼容传统 UNO 标准的排针引出了 GPIO、电源轨、SPI、I²C 及 UART 接口，可适配现有 Arduino 扩展板，保留原有的嵌入式工作流。

板底高速连接器突破了传统 MCU 接口的局限性，可在紧凑的配置架构下实现更快的外设通信与更高带宽的系统集成。ASX00073 以太网 PHY 扩展板（见图 3）展示了依托现有布线，便捷地接入了存量工业基础设施的扩展方案。同类扩展板还支持电机控制与现场总线通信（如 CAN 总线、RS-485），可通过快速硬件扩展解锁更多功能。

Arduino UNO Q 还集成了一个板载 Qwiic 连接器，可通过 I²C 接口连接传感器、致动器和 Arduino Modulino 模块，以实现快速、无焊接扩展，大幅加快原型开发和人机界面开发的速度。例如，ABX00110 Modulino 按钮板（图 4，左）支持工业控制面板和物联网设备的操作员输入和事件触发；ABX00107 旋转编码器板（图 4，中）可实现直观的菜单导航、参数调试和机器人控制界面；ABX00102 飞行时间 (ToF) 板（图 4，右）可提供近距离检测功能，适用于自动化领域的机器人、占用检测和安全系统。

结论：边缘 AI 平台选型中SBC的价值

“ SBC 让边缘 AI 无需大规模重新设计即可落地；选型应优先看每瓦性能、热设计功耗、实时性与扩展生态。”

随着边缘 AI 应用在工业自动化、机器人技术与物联网领域持续扩展，灵活的 SBC 平台为构建高可靠性、快速响应、智能化系统提供了一条高效可行的实施路径。Arduino UNO Q 将高级处理、实时控制、灵活互联与模块化扩展特性，集成在一个外形小巧紧凑的低功耗硬件中，充分展现了 SBC 的价值：无需进行大规模重新设计，即可简化原型开发，实现现有基础设施的现代化。

敲黑板

1. 实现边缘智能的主要限制是什么？
2. 单板计算机（SBC）为什么适合开发边缘 AI？
3. 什么是双架构单板计算机（SBC）？
4. Arduino UNO Q 使用哪些处理器？
5. Arduino UNO Q 有哪些版本，如何选择？
6. Arduino UNO Q 能兼容现有 Arduino 扩展板吗？
7. 如何对 Arduino UNO Q 做无焊快速扩展？
8. 如何把存量工业基础设施接入 Arduino UNO Q？
9. 边缘 AI 平台选型应关注哪些指标？

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现代电机控制 IC 的复杂度已经远超传统驱动芯片，仅靠规格书和软件仿真难以完成系统优化，而评估板（Evaluation Board）是验证控制算法、功率电路和系统性能最快、风险最低的方法。

1. 什么是电机控制 IC 评估板？为什么开发运动控制 IC 需要它？

什么是评估板（EVAL）？

评估板（Evaluation Board，EVAL）是芯片厂商提供的硬件开发平台，用于让工程师快速验证芯片功能、调试参数并评估实际运行性能。

以 TMC5130为例，它提供：

• 完整的电机驱动电路
• 电源接口
• MCU 通信接口
• 测试点
• 调试软件支持（TMCL-IDE）

工程师无需自行设计 PCB，即可让电机快速运转起来。

为什么必须用评估板？

仅依赖：

• Datasheet
• SPICE 仿真
• Matlab/Simulink 建模

往往无法验证：

• MOSFET 开关噪声
• PCB 寄生参数
• 电流采样误差
• 负载突变响应
• EMI/EMC问题
• 电机实际发热

而评估板能够进行：

HITL（Hardware-In-The-Loop）

硬件在环测试

即：

• 真实电机 + 真实负载 + 真实驱动器
• 运行控制算法。
• 这样可以提前发现问题，减少后期修改 PCB 和软件的成本。

2. TMC5130-EVAL 与 TMC5240-EVAL 分别适合什么场景？

TMC5130-EVAL

适用于：

• 步进电机开发
• 3D 打印机
• 工业自动化
• CCTV 摄像头
• 泵系统

主要特点：

• SixPoint Ramp
• StealthChop 静音驱动
• StallGuard2 无传感器堵转检测
• CoolStep 自动节能调流

支持工程师快速验证运动曲线与控制参数。

TMC5240-EVAL

适用于： 下一代高性能步进系统

特点：

• 36V H桥
• 无损电流检测
• StealthChop2™
• Jerk 优化运动轨迹

优势：

• 更快启动
• 更平滑加减速
• 更容易完成运动参数调试

适合：

• AGV
• 协作机器人
• 精密运动平台
• 高端自动化设备

3. 评估板（EVAL）与分线板（BOB）有什么区别？

项目	EVAL评估板	BOB分线板
功能完整度	完整	最简
是否可直接驱动电机	是	通常需要外部电路
调试接口	丰富	较少
软件支持	完整	有限
开发速度	最快	中等
灵活度	中等	高

EVAL适合

如果需要：

• 快速验证方案
• 学习芯片功能
• 调试控制算法
• 展示 Demo

选：

✅ EVAL

BOB适合

如果需要：

• 设计自己的 PCB
• 集成到产品中
• 定制外围电路

选：

✅ BOB

例如：

TMC5130A-BOB 提供运行该 IC 的最小外围电路，方便工程师直接在自己系统中二次开发。 [digikey.com]

4. FOC 场定向控制为什么可以取消编码器和霍尔传感器？

传统控制

普通 BLDC 控制需要知道：

• 转子位置
• 转速

因此需要：

• 编码器
• 霍尔传感器

提供反馈。

FOC（Field Oriented Control）

FOC 通过：

• 电流采样
• 数学模型
• Clarke变换
• Park变换

实时估算：

• 转子磁链方向
• 转子位置
• 转速

因此：

很多应用无需安装：

• Encoder
• Hall Sensor

即可实现闭环控制。

好处

减少：

• BOM成本
• 安装空间
• 线束数量
• 故障点

特别适用于：

• 机器人关节
• 无人机
• 小型伺服系统

5. TMC4671 评估系统如何简化无传感器电机调试？

TMC4671 的核心优势

把大量 FOC 运算直接放在硬件里实现：

• Torque Control
• Velocity Control
• Position Control

无需 MCU 实时完成全部矩阵运算。

TMC4671-EVAL 提供

支持：

• BLDC
• PMSM
• Stepper

并支持：

• PI 参数配置
• 反馈配置
• 位置模式
• 速度模式
• 力矩模式

开发者仅需连接电机和功率板即可开始调试。

USB-2-RTMI 实时监控

通过：

RTMI（Real-Time Monitoring Interface）

工程师可以实时查看：

• 电流
• PWM
• 速度
• 位置
• PI控制器输出

边运行边调参。

这样极大降低了无传感器 FOC 的开发难度。

6. 哪款评估套件可直接用作最终产品？

答案：

TMCM-3351-TMCL

具有：

• 三轴步进控制器
• 集成 MOSFET 驱动
• 电源管理
• 多接口通信

支持：

• RS-485
• CAN
• USB
• RS-232

同时支持：

• 闭环控制
• 编码器反馈

由于模块已经包含产品运行所需的大部分硬件资源，因此许多场景下可以直接部署，而无需重新设计主板。

7. TMCL-IDE 在评估板使用中起什么作用？

TMCL-IDE

是 Trinamic 的官方图形化开发环境。

功能包括：

参数配置

例如：

• 电流
• 加速度
• PID参数
• PWM频率

实时可视化

观察：

• 电机转速
• 电流波形
• 位置误差
• 负载变化

数据记录

支持：

• Logging
• 导出配置
• 保存参数

故障诊断

可查看：

• 通讯状态
• 驱动状态
• 保护动作

并恢复：

• Factory Default

TMCL-IDE 可以显著缩短调试时间。

8. 使用评估板开发电机控制 IC 的整体价值是什么？

从工程管理角度看，评估板最大的价值是：

① 并行开发

传统模式：

芯片选型

↓

原理图

↓

PCB

↓

样机

↓

调试

周期长。

使用评估板：

评估板调试

↓

算法开发

PCB设计

软件开发

调试

同时进行

大幅缩短项目周期。

② 降低设计风险

提前验证：

• 电机匹配
• 功率器件选型
• 热设计
• EMI问题

避免反复改板。

③ 提升性能

可持续优化：

• FOC参数
• PI参数
• 电流环
• 速度环

获得最佳：

• 精度
• 效率
• 响应速度

④ 加快上市时间（Time-to-Market）

这是文章反复强调的核心价值。

对于机器人、工业自动化、AGV、医疗设备等行业：

评估板 = 低风险验证平台 + 控制算法实验室 + 参考设计库。

它能帮助团队更快完成从概念验证（PoC）到量产产品的过渡。

完整文章请参考第一个推文: 电机控制IC评估板选型与开发指南：ADI/Trinamic TMC5130、TMC4671 评估套件加速步进电机与 FOC 控制设计

参考资料

1. Analog Devices, TMC5130-EVAL Evaluation Board
   https://www.analog.com/en/resources/evaluation-hardware-and-software/evaluation-boards-kits/tmc5130-eval.html [analog.com]
2. Analog Devices, TMC5130 Motor Driver & Motion Controller
   https://www.analog.com/en/products/tmc5130.html [analog.com]
3. Analog Devices, TMC4671-EVAL Evaluation Board
   https://www.analog.com/en/resources/evaluation-hardware-and-software/evaluation-boards-kits/tmc4671-eval.html [analog.com]
4. Analog Devices, TMC4671 FOC Servo Controller
   https://www.analog.com/en/products/tmc4671.html [analog.com]
5. Analog Devices, TMCL-IDE Motion Control Software
   https://www.analog.com/en/resources/evaluation-hardware-and-software/motor-motion-control-software/tmcl-ide.html （文章引用来源）

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作者：Kenton Williston

开关模式电源（开关电源）因其高效性和灵活性而广受欢迎。但它们也带来了挑战，因为其应用已经延伸到新的领域。最明显的是，其高频切换会对系统的其他部分产生电磁干扰 (EMI)。此外，导致 EMI 的因素同样也会降低效率，从而削弱开关电源关键的能效优势。

为了避免这些问题，设计人员在配置“热回路”（电源电路中发生快速开关的部分）时必须特别小心。将等效串联电阻 (ESR) 和等效串联电感 (ESL) 造成的热回路寄生损耗降至最低至关重要。这可以通过选择高度集成的电源元件和精心设计的印刷电路板（PC 板）布局来实现。

本文将介绍热回路和寄生损耗来源，具体包括耦合电容器、功率场效应晶体管 (FET) 和电路板过孔等。然后会展示 Analog Devices 的高集成度电源转换器实例，并介绍各种电路板布局及其对寄生参数的影响。最后还介绍了降低 ESR 和 ESL 的实用技巧。

开关电源热回路解析及ESR/ESL造成的EMI与效率损耗的原因

“热回路是快速开关电流所在环路；ESR耗散能量，ESL引发振荡与EMI，二者越高，效率越差、纹波越大。”

任何涉及快速开关电流的电源设计，如升压、降压升压和反激式转换器，都会出现高频开关电流热回路。这个概念可以通过一个简化的降压转换器来说明（图 1）。左侧的回路（红色）包含所有开关元件；电路产生的高频电流包含在其中，并形成热回路。

“热”是因为电路的这一区域进行着大量的能量转换和开关活动，而这些活动往往伴随着热量的产生。对这些热回路进行合理布局和设计对于最大限度地减少 EMI 和确保电源的高效运行至关重要。

图 2 中更为现实的电路是一个 DC-DC 同步降压转换器。在这个热回路中，物理元件（标为黑色）是输入电容器 (CIN) 和开关金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)（M1 和 M2）。

热回路中的寄生参数用红色标出。ESL 通常在纳亨 (nH) 范围内，而 ESR 则在毫欧 (mΩ) 范围内。高频开关会导致 ESL 内产生瞬时振荡，从而产生电磁干扰。储存在 ESL 中的能量会被 ESR 消散，从而导致功率损耗。

用高集成µModule稳压器最小化开关电源寄生参数

“集成开关控制器、功率FET、电感与支持元件，可缩短热回路、减少印制线，从源头压低ESR/ESL与EMI。”

这些寄生阻抗（ESR、ESL）会出现在元件内部和热回路电路板印制线上。为了尽量减少这些参数，设计人员必须仔细选择元件并优化电路板布局。

实现这两个目标的方法之一就是使用集成元件。这些集成元件消除了连接分立元件所需的电路板印制线，同时减少了热回路的总面积。两者都有助于减少寄生阻抗。

Analog Devices 的 LTM4638 降压型 µModule 稳压器就是高集成度元件的一个极佳实例。如图 3 所示，这款 15 安培 (A) 开关稳压器集成了开关控制器、功率 FET、电感器和支持元件，全部封装在一个 6.25 × 6.25 × 5.02 毫米的微型封装内。

LTM4638 还具有其他几项功能，可减少寄生损耗。具体包括：

• 快速瞬态响应：这可以使稳压器根据负载或输入的变化快速调整输出电压，并通过快速过渡到次优工作状态，最大限度地缩短寄生损耗的持续时间并降低其影响。
• 断续模式运行：这允许电感器电流在下一个开关周期开始前降至零。这种模式通常在轻负载条件下使用，通过在部分周期内使电感器断电，从而减少电感器的开关和铁损。
• 输出电压跟踪：这能够让转换器输出跟踪参考输入电压。该功能通过精确控制输出电压的升降，降低了可能加剧寄生损耗的过冲或欠冲的可能性。

CIN位置对寄生参数的影响及垂直热回路的最优解

“ CIN越贴近稳压器焊盘、路径越短，寄生越低；垂直热回路1以约0.7 mΩ、0.54 nH优于其他方案。”

使用 LTM4638 构建同步降压转换器需要分别添加散装的输入和输出电容器 CIN 和 COUT。这些电容器的位置选择会对寄生参数产生重大影响。

Analog Devices 使用针对 LTM4638 的 DC2665A-B 评估板进行的实验说明了 CIN 位置选择的影响。后来，DC2665B-B 取代了该评估板，但原理仍适用。图 4 至图 6 展示了 CIN 的三种不同布局和相应的热回路。垂直热回路 1（图 4）和 2（图 5）分别将 CIN 放在底层稳压器的正下方或侧面。水平热回路（图 6）将电容器置于顶层。

垂直热回路 1 的路径最短，可避免使用电路板印制线。因此，预计它的寄生参数最低。使用 FastHenry 以 600 kHz 和 200 兆赫兹 (MHz) 的频率分析每个热回路，结果显示情况确实如此（图 7）。

虽然我们无法直接测量这些寄生参数，但可以预测和测试它们的影响。具体来说，ESR 越低，效率越高，ESL 越低，纹波越小。实验验证证实了这些预测，垂直热回路 1 在这两项指标上都有更好的表现（图 8）。

分立MOSFET的摆放：90°布局为何能降低纹波、抬高谐振频率

“ 两对MOSFET成90°摆放可缩短热回路径、降低PCB ESL，实测纹波更低、谐振频率更高。”

虽然集成器件具有许多优势，但某些开关电源仍需要分立元件。例如，大功率应用可能会超出集成设备的能力。在这种情况下，分立功率 FET 的位置和封装尺寸都会对热回路 ESR 和 ESL 产生重大影响。如图 9 所示，通过测试两块评估板可以看出这些影响，这两块评估板都采用了高效的 4 开关同步降压升压控制器：

• DC2825A 评估板基于 LT8390 降压升压稳压器。其 MOSFET 平行放置，方向相同。
• DC2626A 评估板基于 LT8392 降压升压稳压器。两对 MOSFET 成 90˚ 角放置。

这两块电路板使用相同的 MOSFET 和电容器进行测试，在 10 A 和 300 千赫兹 (kHz) 频率下进行 36 至 12 伏的降压操作。结果表明，90˚ 放置的电压纹波更低，谐振频率更高，表示由于热回路径更短，PC 板 ESL 更小（图 10）。

过孔、铜皮与接地：开关电源PCB布局的其他关键规则

“多过孔靠近关键焊盘、大铜皮承载VIN/VOUT/GND、电源地独立且信号地单点回接，可兼顾低阻抗与低EMI。”

在热回路中采用顶部 FormVVia 布置也会影响回路 ESR 和 ESL。一般来说，增加过孔可以降低电路板的寄生阻抗。不过，这种减少与过孔数量并不成正比。过孔靠端子焊盘近一些可显著降低 ESR 和 ESL。因此，应在靠近关键元件（CIN 和 µModule 或 MOSFET）焊盘的地方放置多个过孔，以尽量减小热回路阻抗。

还有许多其他方法可以对电气和热性能产生积极影响。优化热回路的最佳做法包括：

• 在大电流通路（包括VIN、VOUT 和接地）上使用大面积的电路板铜，以尽量减少电路板传导损耗和热应力。
• 在单元下方放置专用的电源接地层。
• 在顶层和其他功率层之间使用多个过孔进行互连，以尽量减少传导损耗，并降低模块热应力。
• 不要将过孔直接放在焊盘上，除非对其进行封盖或电镀。
• 对于连接到信号引脚的组件，应使用独立的信号接地铜区，将信号接地连接到单元下方的主接地引脚。
• 在信号引脚上引入测试点进行监测。
• 保持时钟信号与频率输入印制线之间的距离，以尽量减少串扰造成噪声的可能性。

结论：最小化ESR/ESL的可执行清单

“先集成化，再缩短热回路，后优化过孔/铜皮/接地；目标是高效率、低纹波、低EMI与可量产布局。”

热回路中的寄生参数会严重影响开关电源的性能。尽量减少这些参数对于实现高效率和低 EMI 至关重要。

实现这些目标的最简单方法之一就是使用集成稳压器模块。不过，开关电源通常需要使用电容器等散装元件，因此必须了解热回路布局的影响。

敲黑板

• 开关电源寄生参数主要指什么？为什么重要？
• 降低寄生参数的第一优先级是什么？
• 集成µModule相比分立方案优势是什么？
• CIN热回路布局最优解是什么？关键数据是什么？
• 分立MOSFET应如何摆放以降低ESL？
• 过孔是不是越多越好？能否直接打在焊盘上？
• 电源地、信号地与时钟走线如何处理？
• 一套可落地的寄生参数优化顺序是什么？

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作者: Alan Yang

气体放电管（GDT）（一级大通流泄放）+ 空心退耦电感（时序协调）+ PTVS 功率 TVS（末级精准钳位） 三级协同架构，适配 IEC 61000-4-5 8/20μs、10/350μs 雷击浪涌，通过更换堆叠 GDT 耐压、电感值、PTVS 功率等级，分别满足 4000V、6000V、8000V 浪涌耐压需求。

堆叠GDT实现浪涌保护

完整防护链路：-48V输入 → 串联堆叠GDT（并联均压电容C1~C4） → 空心退耦电感L1 → 功率TVS（PTVS）对地

1、Stacked GDT 堆叠气体放电管（一级主泄放，开关型）

多颗 GDT 串联一体化器件，搭配均压电容 C1-C4，保证整串脉冲击穿电压仅略高于单支 GDT；

优势：电弧电压叠加，浪涌过后总电弧电压接近 – 48V 母线，可自动熄弧，避免单 GDT 续流烧损。

2、 Air-core Inductor 空心无磁芯电感 L1（时序协调元件）

无饱和特性，大浪涌电流下不失效；浪涌陡升时 di/dt 产生感应压差，抬高堆叠 GDT 两端电压，强制 GDT 先导通泄放大能量，TVS 后级钳位。

3、 Power TVS/PTVS（末级限压钳位，限压型）

ns 级快速响应，吸收 GDT 泄放后的残余浪涌电压，把后端电压钳位至安全区间，保护后端电路。

工作逻辑

4kV 浪涌冲击到来，PTVS 瞬时先钳位；电感电流突变产生感应电压，抬升堆叠 GDT 至击穿电压，90% 以上浪涌电流由堆叠 GDT 对地泄放，剩余残压由 PTVS 吸收，后端电路电压被限制在安全值。

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• 继电器线圈浪涌抑制的部件选项
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• 防止浪涌电流的元器件
• 浪涌抑制器，常见的应用拓扑 

敲黑板

• 实现 4000V、6000V、8000V 浪涌保护需要哪些元器件？
• 堆叠 GDT 相比单颗 GDT 有什么优势？
• 浪涌保护链路中为什么需要空心退耦电感？
• PTVS（功率 TVS）在浪涌保护链路中起什么作用？
• 三级浪涌保护架构的工作逻辑是什么？

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作者: Alan Yang

TMC5262 是一款紧凑型、高功率、单轴步进电机控制器和驱动器，专为高度集成且高能效的运动控制系统而设计。它支持宽范围的 4.5V 至 65V 电源输入，并集成低阻抗功率 MOSFET，可实现高效率和低发热运行。

TMC5262 将先进运动控制、智能诊断、自适应电流调节以及高功率电机驱动功能集成于单一紧凑器件中。

除了先进的片上诊断功能外，还具备以下能力： 电机线圈电阻测量、被动制动和自由滑行模式、片上温度与电源监测、全面的故障保护，以及用于系统调试和验证的实时片上示波接口（RT OCSI）。

所有功能均封装于紧凑且经过热优化设计的 30 引脚 6mm × 6mm FCQFN 封装中，使该芯片非常适用于空间受限的医疗输液泵设计。这些特性协同作用，使电机在空载时能够以极低电流运行，并仅在需要时动态提供扭矩，从而最大限度降低发热并提高系统效率。

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• 为什么一个简单的工业控制项目，需要用到 Modbus/CAN/ EtherCAT 三种通信？
• AI 应用创意项目 – 基于树莓派5的4舵轮智能移动机器人 
• DIY PLC 组件：用于工业自动化的 24 VDC 输出驱动器的关键特性

敲黑板

• TMC5262 是什么芯片？
• TMC5262 的电源输入范围是多少？
• TMC5262 为什么适合医疗输液泵设计？
• TMC5262 有哪些片上诊断与调试功能？
• TMC5262 如何帮助医疗输液泵降低功耗与发热？

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作者：Bill Schweber

自动化和机器人技术高度依赖于电机及其相关的控制与驱动器 IC。这些复杂的半导体已超越了基本的运动控制，可运行高级算法，并根据电机、负载和整体性能优先级密切调整系统运行。

然而，仅凭规格书或仿真来设置这些复杂的 IC 和评估潜在的系统性能具有挑战性。这一过程可能漫长且昂贵，并可能在部署时带来不确定性。最佳的开发方式是使用评估板，让系统设计、布局和软件开发并行展开。

本文重点介绍了设计人员在使用运动控制 IC 时面临的一些挑战，以及评估板在解决这些挑战中的作用。随后，介绍了来自 Analog Devices 的典型 IC 及相关评估板，它们通过实现早期、真实的评估，同时减少硬件和软件的不确定性，缩短了产品上市所需的时间。

运动控制 IC 的核心挑战：规格书与仿真不够用

“运动控制 IC 须在动静态负载下协同管理电机与 MOSFET；评估板以硬件在环实测消除软硬件不确定性，是开发最优路径。”

运动控制 IC 提供了控制电机及其内部功率器件（如驱动电机绕组的 MOSFET）所需的智能。为了实现静态和动态工作模式及负载条件下的最佳性能、轨迹、运动曲线和效率，并处理扰动、瞬变和故障，电机和 MOSFET 都需要仔细管理。

为帮助应对这些挑战，驱动器 IC 供应商提供了评估板。这些评估板通过在实际电机和真实负载条件下进行硬件在环 (HITL) 测试，简化了硬件和软件的设置、优化和性能评估。它们还确保了 IC 及其周围电路的物理布局在配电、寄生效应、输入/输出 (I/O) 连接与格式、物理连接器等方面得到妥善建立。设计人员可以使用这些评估板（作为中等规格板、基本分线板 (BOB) 或模块化解决方案），评估不同的设置、配置和选项，以确定应用最适合的方案。

步进电机评估方案：TMC5130-EVAL 与 TMC5240-EVAL 缩短开发周期

“TMC5130-EVAL 三件套与 BOB 分线板支持实测 StealthChop、SixPoint 斜坡等特性，快速锁定最优配置，加速步进电机开发。”

电机控制 IC 的一个很好例子是来自 Analog Devices TMC5130 系列的 TMC5130A-TA-T。它是一款高性能步进电机控制器和驱动器，具有串行通信接口，并包含一个用于自动目标定位的灵活斜坡发生器。

该驱动器采用先进的 StealthChop 斩波算法，可确保几乎无噪音的运行、最高的效率和最佳的电机扭矩。TMC5130 通过驱动器和控制器片上系统 (SoC) 集成，实现了多项独特的增强功能。例如，TMC5130 中的 SixPoint 斜坡发生器使用 DcStep、CoolStep 和 StallGuard2 功能来自动优化每一次电机运动。

为帮助设计人员开始使用 TMC5130，TMC5130-EVAL（图 1）评估板系统提供了方便的硬件平台和用户友好的评估软件工具。该评估板系统由三部分组成：连接计算机的基板连接桥（左）、包括多个测试点的连接器板（中）和 TMC5130-EVAL 板（右）。

对于希望围绕基于 TMC5130 的内核开发更多自己的电路的设计人员，Analog Devices 提供了 TMC5130A-BOB 分线板（图 2，上）。该板提供运行所需的基本互连，并通过 SPI 接口进行控制。其原理图（图 2，下）展示了其为实现 TMC5130 IC 功能而提供的最简电路。

TMC5240-EVAL 评估套件基于成熟的 TMC5130-EVAL 平台构建，旨在简化下一代步进电机的评估。它集成了 36 V H 桥、无损电流检测和先进的运动控制功能，包括经过 Jerk 优化的斜坡发生器和超静音的 StealthChop2™ 操作，从而能够更快地启动、更轻松地调试以及更高效地验证平滑、精确的电机性能。

FOC 场定向控制原理：TMC4671 可省去编码器与霍尔传感器

“TMC4671 以硬件实时执行 FOC 矢量计算，替代位置反馈；搭配评估板与 RTMI 隔离适配器，简化 PI 整定与无传感器调试。”

场定向控制 (FOC)，也称为矢量控制，是一种日益流行的控制多种电机的方法，因为在许多情况下，它消除了对编码器或霍尔效应传感器等反馈传感器及其相关成本和尺寸的需求。FOC 与非 FOC 技术之间的主要折中之处在于，FOC 需要实时执行大量高精度计算和矩阵运算。

Analog Devices 的 TMC4671-LA 电机控制器 IC 专门针对 FOC，其嵌入式算法和专用引擎可执行所需的复杂计算。这款用于直流、无刷直流 (BLDC) 和步进电机的伺服控制器通过 FOC 提供扭矩控制，并通过级联控制提供速度和位置控制。

TMC4671-A 支持 SPI 和 UART 链接，可与低端监控微控制器单元 (MCU) 进行基本通信。所有控制功能均在硬件中实现，包括集成的 ADC、用于可选反馈的位置传感器接口、位置插值器等，为广泛的伺服应用提供了一款功能完整的伺服控制器。

用于 TMC4671-A 的 TMC4671-EVAL 评估板（图 3）简化了配置所需 FOC 参数以及评估电机在此先进控制方案下性能的过程。设计人员将 TMC4671-EVAL 与连接桥、相关基板和独立的功率级相连。此设置可轻松配置比例积分 (PI) 控制器和反馈方案，并支持电机在标准位置、速度和扭矩控制模式下运行。

TMC4671-EVAL 顶部的针座用于连接数字编码器、数字霍尔效应传感器信号和基准开关。电路板底部的针座用于模拟霍尔效应传感器信号或正余弦编码器。

喜欢围绕功能电机驱动器内核构建自己的评估电路的设计人员可以使用 TMC4671-BOB 分线板（图 4，上）。它提供用于通信和配置的 SPI 和 UART 接口，以及实时监控接口 (RTMI)，可通过带电隔离（欧姆）的 USB-2-RTMI_V20 适配器进行实时调试和调整（图 4，下）。

该适配器提供 USB 接口转换，用于实时监控 TMC4671-LA FOC 控制器 IC。这个 USB 高速至 SPI 桥接接口转换器由 USB 供电，提供基本的静电放电 (ESD) 保护，以及 USB 和 RTMI 连接器之间的电隔离，以防止出现安全和接地回路问题。

一体化三轴评估套件：TMCM-3351-TMCL 可直接作为产品部署

“TMCM-3351 集成三轴 MOSFET 驱动与 RS-485/CAN/USB 接口，评估板可直接量产部署，跳过重新设计环节。”

最后，在某些情况下，完整的 Analog Devices 评估板可以直接作为可部署产品使用。例如，TMCM-3351-TMCL 模块（图 5，上）是一款用于三个两相双极步进电机的三轴步进电机控制器/驱动器板。它包含了所有必需的有源和无源元件，包括 MOSFET 功率驱动器和连接器（图 5，下）。

该模块功能齐全，支持线性和 S 型斜坡，可进行闭环操作，三个轴均可选配编码器。TMCM-3351-TMCL 还提供大量通用数字和模拟输入输出。在通信方面，可提供 RS-485、CAN 总线、USB 和 RS-232 串行接口。

TMCL-IDE 软件工具：评估板实时调试与参数可视化的实现

“TMCL-IDE 图形界面实时可视化参数与运行数据，支持诊断、恢复出厂默认与独立应用开发，大幅提升评估效率。”

评估板得到了 Trinamic 运动控制语言集成开发环境 (TMCL-IDE) 的支持。这个图形用户界面 (GUI) 提供了多个工具，可轻松设置参数、实时进行数据可视化以及进行独立应用开发和调试。

TMCL-IDE 显示用于诊断任务的各种对话框（图 6），并包含已连接的运动控制器和驱动器芯片的概览。首次连接评估套件后，此概览窗口会立即弹出。该窗口会显示连接的当前状态，而对话框的第二个选项卡则让用户选择基本设置或将模块重置为出厂默认值。

结论：评估板 + 配套软件能实现并行开发与性能最优化

“评估板并联优化硬件、布局与控制算法，使电机在负载瞬变下仍保持精度、可靠性与效率，缩短整体上市时间。”

现代运动控制 IC 及其算法高度精密，必须在精度、可靠性和效率等多个电机标准上提供出色的性能。通过使用评估板和支持软件，设计人员可以在进行其他设计工作的同时，对这些控制器进行微调，从而即使在负载变化和瞬变情况下也能提供优化的电机性能。

敲黑板

1. 什么是电机控制IC评估板？为什么开发运动控制 IC 需要它？
2. TMC5130-EVAL 与 TMC5240-EVAL 分别适合什么场景？
3. 评估板（EVAL）与分线板（BOB）有什么区别，如何选型？
4. FOC 场定向控制为什么可以取消编码器和霍尔传感器？
5. TMC4671 评估系统如何简化无传感器电机调试？
6. 哪款评估套件可直接用作最终产品？
7. TMCL-IDE 在评估板使用中起什么作用？
8. 使用评估板开发电机控制IC的整体价值是什么？

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作者: Alan Yang

对于 Traco Power DC-DC 转换器 TMR 9‑1223，如果你观察到电路部分与金属外壳之间存在间隙，并担心这可能属于质量问题，请注意我们已就此向制造商进行了澄清。

以下是制造商的回复。

对于上图所示的情况，灌封材料与金属外壳之间可见的间隙，可能是在灌封过程中，由于灌封材料的正常固化收缩以及灌封材料与金属外壳之间热膨胀系数的差异而产生的。这种现象偶尔会沿着外壳壁出现，并不一定表示存在制造缺陷。

从功能角度来看： 

• 热性能：模块的主要散热路径是通过内部热路径传递至底板/外壳，而非通过侧壁灌封界面。因此，外壳边缘处的小缝隙通常不会影响热性能。

内部保护：

 • 灌封材料持续包覆内部元器件，并保持机械稳定性和电气绝缘。只要元器件上的灌封覆盖完好无损，模块的可靠性就不会受到影响。

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敲黑板

1. Traco Power TMR 9-1223的外壳与灌封材料之间的间隙是质量问题吗？
2. Traco Power TMR 9-1223 的外壳与灌封材料之间的间隙会影响 DC-DC 转换器的散热吗？
3. Traco Power TMR 9-1223 的外壳与灌封材料之间的间隙会影响转换器的内部保护和绝缘吗？
4. 如何判断Traco Power TMR 9-1223 的外壳与灌封材料之间的间隙是否需要担心？

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作者: Alan Yang

CUK 原理图

核心节点与器件：

1. V_IN：直流输入电压
2. L₁：输入电感；L₂：输出电感
3. C₁：飞跨耦合电容（能量传输核心）
4. Q₁：主开关管（MOS/GaN，低边接地开关）
5. V_SW：开关节点（Q₁漏极、L₁右端、C₁左端）
6. D₁：续流肖特基二极管
7. V_D：二极管阳极节点（C₁右端、D₁阳极、L₂左端）
8. V_OUT：输出电压，天然负极性 V_OUT<0

理想 CCM 电压传输公式：

D = PWM 占空比。

二、波形解析 (CCM模式)

典型波形

下图展示了 V_SW、V_D、I_L1、I_L2 和 PWM 的典型波形关系。

波形自上而下：PWM、V_SW、V_D、I_L1、I_L2

1. PWM（紫色）

主开关 Q₁栅极驱动信号

1. 高电平：Q₁导通
2. 低电平：Q₁关断
3. V_SW（青色，开关节点电压）
4. Q₁导通：V_SW ≈ 0V
5. Q₁关断：节点电压跃升至 V_IN+|V_OUT|

工程结论：Q₁稳态漏源电压应力 V_DS(max)=V_IN+|V_OUT|。

1. V_D（黄色，二极管阳极电位）
2. Q₁导通：二极管反向截止，电位维持 -(V_IN+|V_OUT|)
3. Q₁关断：二极管正向导通，V_D≈0V

工程结论：D₁稳态反向耐压 V_R(max)=V_IN+|V_OUT|，与主开关管应力一致。

1. I_L1（蓝色，输入电感电流）

全程大于 0，工作在 CCM：

1. Q₁导通：L₁储能，电流线性上升
2. Q₁关断：L₁释能，电流线性下降

输入电流连续，输入端纹波电流小，EMI 优于 SEPIC、传统 Buck-Boost。

1. I_L2（绿色，输出电感电流，串联负载）
2. Q₁导通：耦合电容 C₁放电，I_L2线性上升
3. Q₁关断：L₂自续流向负载供电，电流线性下降

技术小贴士： 负载电流全程连续 ，电流纹波低，是Ćuk 用于 LED 驱动的核心优势，可以抑制频闪。

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敲黑板

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作者：21ic Editors

随着智能制造加速落地，工业自动化在汽车制造、工业机器人、新能源设备、智能物流等领域中加速发展，相关设备常面临强电磁干扰、极端温差与剧烈振动等恶劣环境的考验，这使得负责信号与电力传输的工业级互连技术成为了决定产线效率、产品良率与系统安全的核心资产。在这种高防护与抗干扰的典型工业场景中，TE Connectivity（泰科电子）、Molex（莫仕）、Amphenol（安费诺）三大行业巨头的差异化解决方案，提供了专业且实用的互连产品选型参考。

最新的市场趋势报告，分析工业级互连技术的前沿走向，解读该技术将如何支撑工业自动化的发展，赋能智能化升级，同时附上精选产品推荐，旨在为复杂的系统设计提供切实可行的选型参考，加速创新方案的高效落地。

工业级互连的核心定义：恶劣环境四大选型硬指标

“IP67+ 密封、多层 EMI 屏蔽、高柔性抗扭转、一体注塑预铸是工业互连选型四大硬指标。”

工业级互连技术（涵盖连接器、电缆及定制化线束组件）是专为工业自动化恶劣环境打造的传输中枢。有别于追求轻巧与低成本的消费级产品，工业互连方案的核心在于极致的稳定性与机械强度。为了在充满强电磁干扰、极端温差、剧烈振动及化学侵蚀等工厂中保障数据与电力的无损传输，选型时必须聚焦四大关键指标：

1. 抵御粉尘与水液的IP67级以上高密封防护；
2. 隔绝变频器及大功率电机噪声的多层EMI屏蔽设计；
3. 满足机器人等动态场景的高柔性与抗扭转机械耐久度；
4. 采用一体注塑的预铸与模块化组件（如预铸M12线束），提升节点抗拉强度。

受工业4.0及产线数字化转型驱动，全球工业互连市场迎来强劲增长。从产品结构上来看，能够在恶劣环境中稳定运行的加固型硬件依然占据主导份额，但管理软件的增速正逐渐反超，推动行业加速向“物理层+数据层”的软硬融合演进。区域格局方面，北美与欧洲维持着超过六成的稳固基盘，而亚太地区则在中国“智能制造”强劲势头的引领下拿下了约29%的份额（其中中国独占全球近14%），正日益成为驱动全球工业互连技术向前迈进的核心引擎。

工业互连四大演进方向：以太网迁移、高功率密度、无线融合、小型化

“工业以太网迁移、大电流散热突破、5G+Wi-Fi6 融合、模块化微型化是互连技术四条核心路径。”

第一，全面向工业以太网迁移。这要求连接器在保持紧凑的同时兼顾千兆高带宽与极强抗干扰性。例如，TE Connectivity 全新SNK系列可插拔动态连接器，便将接线端子的便捷与高抗震性结合，大幅优化了控制柜空间。

第二，高功率密度革新。高耗能设备的普及，倒逼大电流连接器突破散热瓶颈。Molex推出的PowerWize大功率互连器件，通过多触点技术大幅降低阻抗，配合防震锁定机制，稳稳支撑机器人与重型设备的高负荷运转。

第三，无线与有线深度融合。5G与Wi-Fi 6正加速填补远程与移动场景的布线盲区。Amphenol扩展了MMCX线缆组件，采用坚固的IP67级防护与灵活的直式插头，无缝衔接了内部板载接口与外部恶劣环境。

第四，极致的小型化与轻量化。随着柔性产线与传感设备的集成度攀升，连接器必须“在针尖上跳舞”。Molex的Brad Connectivity系列通过模块化微型设计，在削减尺寸时，保障了耐腐蚀与低维护的硬核指标。

工业互连市场规模：从2026 年 830.3 亿美元增至 2034 年 1290 亿美元

“全球 2026–2034 年 CAGR 约 5.7%，中国自动化市场 2024–2029 年增长 7.7%，通信与汽车需求为主。”

最新市场数据显示，全球工业互连市场规模持续上升，预计将从2026年的830.3亿美元增长至2034年的1290亿美元。这一增长势头在中国市场表现尤为显着。得益于智能制造与工业4.0的持续推进，预测中国工业自动化市场规模从2024年到2029年会有7.7%的增长。而中国工业连接器行业市场规模，预测2022至2028年期内复合年增长率（CAGR）会达到5%。工业互连技术在各大领域的渗透潜力印证了强劲的市场需求。从中国连接器应用领域占比情况来看，通信和汽车领域将近占据一半份额，工业和交通则紧随其后。 随着自动化产线升级与工业物联网的普及，中国市场对高可靠性、高带宽的工业连接解决方案需求将持续激增。

行业洞察：EV 高压、以太网信号完整性、串行通讯三大互连创新

“Molex eHV60 解决 EV 高压屏蔽，RJ45 阻抗控制保障信号完整性，RS-232/485 仍是电力通讯桥梁。”

近期工业与汽车互连领域动态频发，聚焦于电气连接的安全、兼容与信号完整性。在新能源领域，Molex莫仕推出首款eHV60高压汽车连接器，以其紧凑设计与卓越的电磁屏蔽性能，为电动汽车（EV）的车载充电器与电驱动桥等高压电路提供安全可靠的供电；同时，面对电动汽车充电接口面临的多套全球标准不统一的问题，行业正加紧通过连接器选型与协议升级来攻克多场景、多车型的兼容性壁垒。

在网络与电力通讯底层设计上，工程师们正高度关注以太网变压器到RJ45接口仅数厘米走线的阻抗控制，以应对严苛的信号完整性与电磁兼容的挑战；而在电力系统自动化层面，RS-232与RS-485串行接口依然是保障消弧线圈等核心配网设备数据交换的关键通讯桥梁。

结语：互连已成智能制造的数字神经元，精准选型决定数字化转型成败

“工业互连已超越物理连接，精准选型是企业抢占数字化转型先机、实现高质量发展的关键基石。”

工业级互连技术早已超越单纯的“物理连接”范畴，成为构筑智能制造与绿色出行的数字神经元。面对工业4.0智能化发展，高防护、抗干扰、大电流及数智融合的互连方案正加速落地。精准选型与前沿互连技术，不仅是攻克严苛环境挑战的必需，更是企业在数字化转型浪潮中抢占先机、实现高质量发展的核心基石。

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作者：Stephen Evanczuk

用于智能照明与楼宇自动化的物联网 (IoT) 设备正在经历快速演进，其角色已从简单的控制节点转变为功能丰富的互联系统。这些系统需要支持更高的计算需求、稳健的安全性能以及更高的射频 (RF) 性能。面对这一趋势，设计人员承受着日益增长的压力，需要在多协议连接、高级安全特性和功率效率等多样化需求之间取得平衡，同时还要努力降低物料清单 (BOM) 成本和系统复杂性。解决这些新兴物联网应用需求的关键在于采用先进的无线片上系统 (SoC) 器件。

本文旨在阐述新兴物联网设备和系统的设计人员所面临的挑战，然后介绍了 Silicon Labs 的下一代无线物联网 SoC 如何通过其超低功耗架构来应对这些挑战。该架构将高性能处理器与多个专用子系统相结合，提供了可行的解决方案。

为什么线路供电式智能设备需要多协议无线 SoC？五大设计挑战解析

“LED 照明与智能插座需在更短周期内集成多协议、安全与高算力，多芯片方案效率低下，单片无线 SoC 成为必然选择。”

在 LED 照明、智能插座和开关等应用中使用的线路供电式智能设备，正日益被期待在更短的开发周期内提供更丰富的功能。这些设备的设计人员面临着一系列苛刻要求：他们需要在集成更高处理能力、多种无线标准以及稳健安全性能的同时，严格控制 BOM 成本，并确保设备在持续运行环境中的行为可预测。

无线连接的复杂性加剧了这些压力。低功耗蓝牙 (BLE)、Zigbee、Thread 和 Matter 协议正越来越多地共存，这使得基于单一协议或多芯片架构的解决方案变得复杂。通过外部组件支持多种异构协议可能会拖慢开发进度并造成效率低下。因此，物联网设计已转向采用单片无线 SoC，例如 Silicon Labs 的 SiMG301/SiBG301 3 系无线 SoC（图 1）。这类芯片将应用处理、安全功能和无线电操作整合在单一器件内。

这些 SoC 凭借其先进的架构，能够提供高性能、稳健的安全性和灵活的连接能力，从而让设计人员能够更有效地应对智能设备需求的快速变化。

SixG301 架构解析：单芯片如何集成处理、连接与安全三大子系统

“SixG301 集成 150 MHz Cortex-M33（DSP+FPU）、最高 512 KB RAM 与 4 MB 闪存，LPW 射频支持 BLE 与 802.15.4，灵敏度达 -106.8 dBm。”

SixG301 系列集成了线路供电式智能设备所需的全部功能。为了满足日益复杂的计算要求，SixG301 SoC 基于 150 MHz 的 Arm Cortex-M33 处理器内核，带有数字信号处理 (DSP) 指令和浮点运算单元 (FPU)（图 2）。处理器子系统将该内核与片上随机存取存储器 (RAM)、共封装闪存、直接内存访问 (DMA) 控制器和调试接口结合在一起。该架构还通过用于连接、安全、能源管理、时钟、定时器和外设的专用硬件模块（包括针对 LED 照明的专用功能），为智能设备提供了全面的支持。

对于设计人员来说，SixG301 系列提供了一种可扩展的解决方案，可满足广泛的要求。为了实现以蓝牙连接为目标的智能设备设计，SiBG301 蓝牙 SoC 系列支持 BLE、蓝牙网状网络和专有 2.4 千兆赫 (GHz) 应用。SiMG301 多协议 SoC 系列除支持相同的蓝牙选项外，还增加了对 IEEE 802.15.4 物理层 (PHY) 和媒体访问控制层 (MAC) 的支持，适用于低数据速率无线网络，包括 Zigbee、Matter over Thread 和 OpenThread。在每个系列内部，不同型号还提供额外的配置选项，最高提供 512 KB 的 RAM 和 4 MB 的安全芯片内执行 (XIP) 四通道串行外设接口 (QSPI) 闪存。无论选择何种配置，所有 SixG301 SoC 系列成员都具有下一代物联网设备所需的相同核心能力。

高级物联网应用依赖于稳健的连接能力，而 SixG301 系列的设计即使在这些应用典型的高密度、易受干扰的环境中也能可靠地运行。该系列的低功耗无线 (LPW) 无线电（图 3）集成了无线电处理器内核、RAM 以及专用的发送和接收信号路径，提供了一个完整的连接子系统。

LPW 子系统旨在提供维持可靠连接所需的发射功率和接收器灵敏度。该子系统支持高达 +10 分贝 (dB) （以 1 毫瓦 (mW) (dBm) 为基准）的输出功率，可在天线布置和机箱限制条件苛刻的线路供电安装中实现可靠的链路裕度。在接收端，该无线电可提供以蓝牙为中心的多协议物联网设计所需的灵敏度。对于所有 SixG301 设备蓝牙/BLE 中使用的 125 千比特/秒 (kb/s) 高斯频移键控 (GFSK) 调制，接收灵敏度为 -106.8dBm。在 SiMG301 设备上使用 802.15.4 中的 250 kb/s 偏移正交相移键控 (O-QPSK) 调制时，接收灵敏度为 -106.3dBm。

硬件安全与超低功耗详解：Secure Vault High（PSA 4 级）与 EM0–EM4 能源模式

“专用安全引擎构建硬件信任根，PUF 密钥与 TrustZone 隔离防护攻击；EM4 关断模式功耗仅 0.26 µA，安全与能效兼得。”

灵活的无线连接选项是高级物联网应用的基础，但这些连接及物联网设备的安全性，则依赖于对基于硬件的稳健安全能力的不懈追求。SixG301 器件采用了基于硬件的安全架构，该架构构建于 Silicon Labs 的 Secure Vault High 之上，这是该公司多层级 Secure Vault 安全技术中的最高等级。它们已通过 PSA 4 级认证，这是平台安全架构认证框架的最高级别。要获得此认证，设备必须提供针对复杂软件和硬件攻击的稳健防护，包括可扩展的侧信道攻击和故障注入攻击，所有这些都包含在 Secure Vault High 层级中。

这种安全架构通过使用自带处理器的专用安全引擎来建立硬件信任根 (RoT)，从而将加密功能和敏感数据与主 Cortex-M33 应用内核隔离开来。这种隔离可确保即使应用软件受到破坏，加密密钥和安全关键操作仍然受到保护。Arm TrustZone 实现了安全代码执行与非安全代码执行之间的硬件级分离，而安全密钥管理则使用物理不可克隆功能 (PUF) 技术在开机时生成唯一密钥。为确保该密钥无法被提取或克隆，只有加密引擎才能看到该密钥，并且只能持续到设备断电为止。

使用 RoT 和安全加载器 (RTSL) 的安全引导可确保只有经过验证的固件才能执行，而经过验证的芯片内执行 (AXiP) 则将这种保护扩展到运行时代码验证。自主硬件加密加速器可卸载主处理器上的密码和协议。这些功能与 SixG301 的渗透保护功能相结合，可帮助设计人员构建安全、高性能的设备，以验证固件更新、保护凭证并维护物联网应用中的信任。

在支持持续运行、线路供电运行方面，以最小功耗为目标的能源管理也发挥着同样重要的作用。除了时钟和外设电源选通，SixG301 器件还提供多种执行模式，使设计人员能够动态地平衡性能和功耗。在活动模式 (EM0)下，主机处理器在所有外设和振荡源都可用的情况下执行代码，在 150 MHz 的同时循环中，通常每兆赫耗电 47 微安 (µA/MHz)，或在运行 CoreMark 时耗电 62 µA/MHz。睡眠模式 (EM1) 使所有外设保持可用，同时处理器处于非活动状态，但可在系统事件发生时快速唤醒。在该模式下，典型功耗降至 33 µA/MHz 或更低，具体取决于时钟配置。 

在需要极低活动度的时段，关断模式 (EM4) 会关闭器件的大部分电路，在不使用备份实时计数器 (BURTC) 时，功耗可降至仅 0.26 µA；若 BURTC 由低频振荡器驱动运行，功耗则为 0.75 µA。

通过灵活运用这些模式，并结合可配置的时钟系统和外设电源管理，设计人员能够为其特定应用实现功耗与性能的最佳平衡。

片上 LEDDRV 预驱动器如何省去专用 LED 驱动芯片

“LEDDRV 集成充电泵与双栅极驱动通道，配合双 PWM 实现精确调光与冷暖色温混合，直接降低 BOM 成本与电路复杂度。”

除了广泛的物联网应用日益需要的功能外，SixG301 器件还集成了明确适用于智能照明应用的模拟和电源功能。片上 LED 预驱动器 (LEDDRV) 子系统（图 4）旨在为单色和可调白光 LED 灯泡应用提供高能效解决方案，它集成了一个充电泵和两个栅极驱动器通道，可直接为场效应晶体管 (FET) 供电，从而取代专用驱动器芯片来控制暖白光和冷白光 LED 灯串。

LEDDRV 外设提供控制信号和监控功能，包括电流监控和过流保护，简化了 LED 电流调节。例如，在典型的单通道 LED 照明应用中，设计人员只需将 LEDDRV 输出连接到驱动 LED 灯串的外部功率 FET（图 5），并使用通用输入/输出 (GPIO) 端口来检测交流电压、漏极电压和峰值电流。

在软件控制方面，处理器通过定时器块生成的两个脉宽调制 (PWM) 通道与 LEDDRV 块连接，从而实现精确调光和色温混合。这种方法能够让设计人员通过固件实现平滑的调光曲线并从暖白过渡到冷白。为了防止过热运行，设计人员还可以使用软件控制，根据能源管理单元集成温度传感器或外部传感器的测量结果禁用 LEDDRV 块。

LEDDRV 块还支持双驱动器和直接驱动器配置，让设计人员能够扩展基本的双通道设置或适应不同的功率级拓扑结构。通过将这些面向照明的功能直接嵌入 SoC，SixG301 器件帮助线路供电照明系统实现了更高的集成度、更低的 BOM 成本和更紧凑的设计。

SixG301 开发套件与工具链：从评估到量产的加速路径

“Explorer 套件（USB 供电、板载 J-Link）适合入门评估，专业套件提供能量监测与两款插入式无线电板，均搭配 Simplicity Studio。”

Silicon Labs 为 SixG301 的开发提供了旨在加速评估与原型设计的硬件和软件资源。

SixG301 Explorer 套件 (SIXG301-EK2719A)（图 6）是一个 USB 供电式开发平台，为设计人员提供了一个紧凑、低成本的入门选择。该套件围绕一个具有 4 MB 闪存和 512 KB RAM 的 SiMG301 模块构建，为附加传感器和外设提供了插座与连接器。板载 J-Link 调试器带有虚拟 COM 端口和数据包跟踪接口，设计人员无需额外设备即可进行固件开发和无线电评估。

为了实现更深入的开发和详细的性能表征，SixG301 闪存专业套件 (SIXG301-PK6037A)（图 7）将 SI-MB4002A BRD4002A 无线专业套件主板与带 4 Mb 闪存的 SIXG301-RB4407A 插入式无线电板，或带 8 Mbytes 闪存的 SIXG301-RB4408A 插入式无线电板组合在一起。主板提供集成调试、高级能量监测和全面的外设接口，用于系统级集成测试，而两块插入式无线电板均包含了具有 512 KB RAM 的 SiMG301、匹配网络和印刷电路板天线。

SixG301 Explorer 套件和 SixG301 闪存专业套件均可与 Silicon Labs 的 Simplicity Studio 开发环境配合使用，该环境提供配置向导、示例项目和访问 Simplicity 软件开发套件(SDK) 的权限。这些资源共同帮助设计人员高效地完成从初步评估、原型设计到生产就绪设计的整个过程。

结论：SixG301 为线路供电智能设备提供可扩展的单芯片基础

“SixG301/SiMG301/SiBG301 以可扩展配置覆盖蓝牙到多协议设计需求，配套完整工具链支持从评估到快速量产。”

LED 照明、智能插头和开关等线路供电式智能设备的设计人员面临着越来越大的压力，他们必须以最低的成本提供高性能、高可靠性、多协议连接、强大的安全性和能效。Silicon Labs SiMG301 和 SiBG301 下一代 3 系无线 SoC 及其相关的开发工具，为应对这些需求提供了支持，并为快速开发奠定了可扩展的基础。

敲黑板

1. Silicon Labs SixG301是什么芯片？
2. SixG301 支持哪些无线协议？
3. SixG301 的安全性达到什么等级？
4. SixG301 的功耗表现如何？
5. SixG301中的LEDDRV 是什么？有什么作用？
6. 如何开始 SixG301 开发？

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