旋轉編碼器工作原理

旋轉編碼器用于精確測量電動機的角度位置，以實現精確控制。這些編碼器通常安裝在電動機的軸上：

安裝在電機軸上會帶來明顯的系統限制：

中間有安裝孔的甜甜圈形印刷電路板 （PCB） →空間限制

電機的導熱系數→電子設備的高工作溫度

電子設備的高溫→可靠性和電子設備的使用壽命縮短

這些限制歸結為對可靠組件的要求，這些組件具有很少的自發熱和較小的物理足跡。由于這些編碼器通常以非常高的產量制造，因此冷卻和PCB制造的系統成本是重要的設計因素。這些系統中通常涉及的另一個設計因素是功能安全，以可靠地了解測量值是否有效，或者系統是否需要進入安全狀態，即停止。

這些甜甜圈形 PCB 的典型直徑低至 35 毫米， 這將所選組件的物理尺寸限制在大約 10 × 10mm2 或更小.編碼器板直接受到電機產生的熱量的影響，在工作條件下可以達到95°C的溫度，在使用壽命的一定時間內甚至可以達到105°C。 在這些溫度下，由于漏電流引起的電子產品自發熱已經很強烈——一些半導體甚至可能遭受熱失控。

采用FCSG2封裝的智能融合158 SoC

Microchip為這些應用設計了一款特定的器件：采用FCSG2封裝的SmartFusion158 SoC。該器件采用 Arm M3 微控制器，附加了大約 25.000 個邏輯元件的 FPGA 結構和 9 × 9mm2 的優化器件封裝。該器件針對這些惡劣的工作條件和設計限制進行了高度優化。

布線優化的封裝允許在PCB上僅有兩個信號層的情況下完全分離封裝，從而保持PCB簡單和低電平。封裝球柵中的自由空間允許為內環放置經濟高效的0.3 mm過孔，并將去耦電容直接放置在封裝下方，靠近封裝中間的電源引腳：

這款 SmartFusion2 器件提供 82 個 I/O，其中 70 個能夠連接到 3.3V，12 個可以本地連接到 2.5V 或通過電阻分壓器連接到 3.3V。此外，對于需要高速通信的情況，可以使用一個收發器對，其運行速度高達 5 Gbps 并支持 PCIe Gen2。片上 Arm M3 微控制器也可用于典型的內務管理和通信目的。

由于 SmartFusion2 的功耗優化架構及其產生的小自發熱，該器件可以在接近最大指定溫度范圍 （100°C/125°C） 的環境溫度下運行。為了準確估計器件的功耗和自發熱，建議將微芯片功耗估算器用于SmartFusion2 SoC和Igloo2 FPGA或PolarFire FPGA和SoC。

如上所述，編碼器數據通常是安全關鍵型的，要求FPGA設計也必須獲得安全認證或具有混合的關鍵級別。Microchip通過SmartFusion2 / Igloo2安全包（鏈接在這里）支持此類安全認證。SmartFusion2 和 Igloo2 設備已通過 IEC 61508 功能安全認證，基于使用驗證。相應的安全包包含安全認證的開發環境Libero SoC 18.3 SP4，FPGA設計中經常需要的28個IP核，這些設備和實用程序的安全手冊，用于計算硬件故障概率。

由于Microchip FPGA和SoC不受配置存儲器上的單事件翻轉（SEU）的影響，因此永久性硬件故障是安全討論所需的FIT計算的唯一因素。FIT 代表 failure in time，1 FIT 等于 109 小時內的一次故障。對于典型的基于SRAM的FPGA，SEU引起的軟FIT取決于所選器件的確切架構和復雜性，通常在約400 FIT的范圍內。考慮到安全相關功能通常只占用FPGA結構的一小部分。在此軟 FIT 之上，還添加了永久性故障。

永久性故障的FIT率來自供應商在增加器件應力水平時的測量數據，以加速主要導致器件故障的老化效應。這些測量結果是基于阿倫尼烏斯關系計算所需操作條件下硬件故障率的基礎

其中 A.F = 加速度系數。

該計算的可視化結果為：

在計算完整的FPGA時，在>90°C的環境溫度下，旋轉編碼器通常具有的工作條件，由此產生的FIT率可以達到100 FIT左右的故障率。對于功能安全的設計，這顯然太多了。

換句話說，要么需要保持較低的器件溫度，要么為了安全計算，保持相關功能的尺寸較小。

Microchip安全包包含適當的數據和實用程序，以確定整體設計中安全相關部分的FIT率，從而簡化設計認證。

審核編輯：郭婷