NXP K20 系列芯片技術解析：特性、參數與設計要點

引言

在電子設計領域，選擇合適的芯片對于項目的成功至關重要。NXP 的 K20 系列芯片以其豐富的功能和良好的性能，在眾多應用場景中得到廣泛應用。本文將深入剖析 NXP K20 系列芯片的相關技術細節，為電子工程師們在設計過程中提供有價值的參考。

文件下載：MK20DN512ZVMD10.pdf

一、K20 系列芯片概述

K20 系列芯片屬于 NXP Freescale 半導體旗下產品，支持 MK20DX256VMC10、MK20DN512VMC10 等型號。它具有以下顯著特點：

寬電壓與溫度范圍
- 工作電壓范圍為 1.71 至 3.6 V，無論是低功耗應用還是對電壓要求較高的場景都能適用。
- 閃存寫入電壓范圍同樣為 1.71 至 3.6 V，確保了數據寫入的穩定性。
- 環境溫度范圍為 -40 至 105°C，可適應較為惡劣的工作環境。
高性能處理能力：采用 ARM Cortex - M4 內核，最高主頻可達 100 MHz，且支持 DSP 指令，每 MHz 能提供 1.25 Dhrystone MIPS 的處理能力，為復雜算法和任務的執行提供了有力保障。
豐富的存儲資源
- 非 FlexMemory 設備最高配備 512 KB 程序閃存，FlexMemory 設備則有最高 256 KB 程序閃存和 256 KB FlexNVM，以及 4 KB FlexRAM。
- 還提供最高 128 KB 的 RAM，滿足不同應用對數據存儲和處理的需求。
- 具備串行編程接口（EzPort）和 FlexBus 外部總線接口，方便進行程序加載和外部設備擴展。
多樣化的時鐘源
- 擁有 3 至 32 MHz 晶體振蕩器和 32 kHz 晶體振蕩器，為不同模塊提供穩定的時鐘信號。
- 配備多用途時鐘發生器，可靈活配置系統時鐘。
眾多系統外設
- 支持多種低功耗模式，能根據應用需求進行電源優化，延長設備續航時間。
- 具備內存保護單元，提供多主保護功能，增強系統的安全性和穩定性。
- 16 通道 DMA 控制器，支持多達 63 個請求源，提高數據傳輸效率。
- 設有外部看門狗監視器和軟件看門狗，防止系統出現異常。
- 低泄漏喚醒單元可在低功耗狀態下快速喚醒系統。
安全與完整性保障
- 硬件 CRC 模塊支持快速循環冗余校驗，保證數據傳輸的準確性。
- 每顆芯片擁有 128 位唯一識別碼（ID），提升系統的安全性。
人機交互接口
- 低功耗硬件觸摸傳感器接口（TSI）可實現觸摸操作，為設備增添交互功能。
- 提供通用輸入/輸出接口，方便連接各種外部設備。
豐富的模擬模塊
- 配備兩個 16 位 SAR ADC，可實現高精度的模擬信號采集。
- 每個 ADC 集成可編程增益放大器（PGA），增益最高可達 x64，提高信號處理能力。
- 包含兩個 12 位 DAC，用于模擬信號輸出。
- 有兩個跨阻放大器和三個模擬比較器（CMP），每個 CMP 包含 6 位 DAC 和可編程參考輸入，還設有電壓參考模塊。
多種定時器
- 可編程延遲塊可實現精確的時間延遲。
- 八通道電機控制/通用/PWM 定時器、兩個 2 通道正交解碼器/通用定時器、周期中斷定時器、16 位低功耗定時器、載波調制發射器和實時時鐘，滿足不同定時和控制需求。
廣泛的通信接口
- USB 全/低速 On - the - Go 控制器，帶有片上收發器，方便進行 USB 通信。
- 兩個 CAN 模塊，適用于汽車電子等領域的通信。
- 三個 SPI 模塊、兩個 I2C 模塊、六個 UART 模塊、安全數字主機控制器（SDHC）和 I2S 模塊，滿足不同通信協議的需求。

二、訂購與識別

2.1 訂購信息

若需訂購 K20 系列芯片，可訪問 freescale.com 網站，搜索 PK20 和 MK20 相關設備編號，以獲取有效的可訂購部件編號。

2.2 部件識別

芯片的部件編號具有特定格式：Q K## A M FFF R T PP CC N，各字段含義如下：	字段	描述
Q	認證狀態	M（完全合格，通用市場流通）、P（預認證）
K##	Kinetis 系列	K20
A	關鍵屬性	D（Cortex - M4 帶 DSP）、F（Cortex - M4 帶 DSP 和 FPU）
M	閃存類型	N（僅程序閃存）、X（程序閃存和 FlexMemory）
FFF	程序閃存大小	32（32 KB）、64（64 KB）、128（128 KB）、256（256 KB）、512（512 KB）、1M0（1 MB）、2M0（2 MB）
R	硅修訂版	Z（初始版）、A（主版本后的修訂版）、（空白）（主版本）
T	溫度范圍（°C）	V（ - 40 至 105）、C（ - 40 至 85）
PP	封裝標識符	FT（48 QFN，7 mm x 7 mm）、LH（64 LQFP，10 mm x 10 mm）等多種選擇
CC	最大 CPU 頻率（MHz）	5（50 MHz）、7（72 MHz）、10（100 MHz）、12（120 MHz）、15（150 MHz）
N	封裝類型	R（卷帶包裝）、（空白）（托盤包裝）

例如，MK20DN512ZVMD10 就是一個具體的部件編號示例。

三、術語與準則

3.1 操作要求

操作要求是指在芯片運行過程中，為避免錯誤操作和可能縮短芯片使用壽命，必須保證的技術特性的指定值或值范圍。例如，VDD（1.0 V 核心電源電壓）的操作要求為 0.9 至 1.1 V。

3.2 操作行為

操作行為是指在滿足操作要求和其他指定條件的情況下，芯片技術特性在運行過程中保證的指定值或值范圍。如數字 I/O 弱上拉/下拉電流 IWP 的操作行為，最小為 10 μA，典型值為 70 μA，最大為 130 μA。

3.3 屬性

屬性是指無論是否滿足操作要求，芯片技術特性都能保證的指定值或值范圍。例如，數字引腳的輸入電容 CIN_D 為 7 pF。

3.4 額定值

額定值是指技術特性的最小或最大值，超過該值可能導致芯片永久性損壞。分為操作額定值（芯片運行時適用）和處理額定值（芯片未通電時適用）。例如，VDD（1.0 V 核心電源電壓）的操作額定值為 - 0.3 至 1.2 V。

3.5 準則

在設計過程中，應遵循以下準則：

絕對不能超過芯片的任何額定值。
在正常運行時，不要超過芯片的任何操作要求。
若在非正常運行時（如電源排序期間）必須超過操作要求，應盡量縮短持續時間。
3.6 典型值

典型值是指技術特性的指定值，它位于操作行為指定的值范圍內，在滿足典型值條件或其他指定條件時，能代表該特性在運行中的情況。典型值僅作為設計參考，不進行測試和保證。例如，數字 I/O 弱上拉/下拉電流 IWP 的典型值為 70 μA。

四、額定參數

4.1 熱處理額定值

符號	描述	最小值	最大值	單位	備注
TSTG	存儲溫度	- 55	150	°C	根據 JEDEC 標準 JESD22 - A103 確定
TSDR	無鉛焊接溫度		260	°C	根據 IPC/JEDEC 標準 J - STD - 020 確定

4.2 濕度處理額定值

MSL（濕度敏感度等級）為 3，根據 IPC/JEDEC 標準 J - STD - 020 確定。

4.3 ESD 處理額定值

符號	描述	最小值	最大值	單位	備注
VHBM	人體模型靜電放電電壓	- 2000	+ 2000	V	根據 JEDEC 標準 JESD22 - A114 確定
VCDM	帶電設備模型靜電放電電壓	- 500	+ 500	V	根據 JEDEC 標準 JESD22 - C101 確定
ILAT	環境溫度為 105°C 時的閂鎖電流	- 100	+ 100	mA	根據 JEDEC 標準 JESD78 確定

4.4 電壓和電流操作額定值

符號	描述	最小值	最大值	單位
VDD	數字電源電壓	- 0.3	3.8	V
IDD	數字電源電流		185	mA
VDIO	數字輸入電壓（除 RESET、EXTAL 和 XTAL）	- 0.3	5.5	V
VAIO	模擬 1、RESET、EXTAL 和 XTAL 輸入電壓	- 0.3	VDD + 0.3	V
ID	單引腳最大電流限制（適用于所有數字引腳）	- 25	25	mA
VDDA	模擬電源電壓	VDD - 0.3	VDD + 0.3	V
VUSB_DP	USB_DP 輸入電壓	- 0.3	3.63	V
VUSB_DM	USB_DM 輸入電壓	- 0.3	3.63	V
VREGIN	USB 調節器輸入	- 0.3	6.0	V
VBAT	RTC 電池電源電壓	- 0.3	3.8	V

五、電氣特性

5.1 AC 電氣特性

除非另有說明，傳播延遲從 50% 到 50% 點測量，上升和下降時間在 20% 和 80% 點測量。所有數字 I/O 開關特性假設輸出引腳負載 (C_{L}=30 pF)，配置為快速壓擺率（(PORTx_PCRn[SRE] = 0)）和高驅動強度（(PORTx_PCRn[DSE]=1)），輸入引腳禁用無源濾波器（(PORTx_PCRn[PFE]=0)）。

5.2 非開關電氣規格

5.2.1 電壓和電流操作要求

符號	描述	最小值	最大值	單位	備注
VDD	電源電壓	1.71	3.6	V
VDDA	模擬電源電壓	1.71	3.6	V
VDD - VDDA	VDD 到 VDDA 的差分電壓	- 0.1	0.1	V
VSS - VSSA	VSS 到 VSSA 的差分電壓	- 0.1	0.1	V
VBAT	RTC 電池電源電壓	1.71	3.6	V
VIH	輸入高電壓	2.7 V ≤ VDD ≤ 3.6 V 時為 0.7 × VDD；1.7 V ≤ VDD ≤ 2.7 V 時為 0.75 × VDD		V
VIL	輸入低電壓	2.7 V ≤ VDD ≤ 3.6 V 時為 0.35 × VDD；1.7 V ≤ VDD ≤ 2.7 V 時為 0.3 × VDD		V
VHYS	輸入滯后	0.06 × VDD		V
IICDIO	數字引腳負直流注入電流（單引腳）	VIN < VSS - 0.3V 時為 - 5 mA		mA
IICAIO	模擬 2、EXTAL 和 XTAL 引腳直流注入電流（單引腳）	VIN < VSS - 0.3V（負電流注入）時為 - 5 mA；VIN > VDD + 0.3V（正電流注入）時為 + 5 mA		mA
IICcont	相鄰引腳直流注入電流（區域限制，包括 16 個相鄰引腳的負注入電流總和或正注入電流總和）	- 25	+ 25	mA
VODPU	開漏上拉電壓電平	VDD	VDD	V	開漏輸出必須上拉到 VDD
VRAM	保留 RAM 所需的 VDD 電壓	1.2		V
VRFVBAT	保留 VBAT 寄存器文件所需的 VBAT 電壓	VPOR_VBAT		V

5.2.2 LVD 和 POR 操作要求

符號	描述	最小值	典型值	最大值	單位
VPOR	下降 VDD POR 檢測電壓	0.8	1.1	1.5	V
VLVDH	下降低電壓檢測閾值（高范圍，LVDV = 01）	2.48	2.56	2.64	V
VLVW1H	低電壓警告閾值（高范圍，LVWV = 00）	2.62	2.70	2.78	V
VLVW2H	低電壓警告閾值（高范圍，LVWV = 01）	2.80	2.72	2.88	V
VLVW3H	低電壓警告閾值（高范圍，LVWV = 10）	2.90	2.82	2.98	V
VLVW4H	低電壓警告閾值（高范圍，LVWV = 11）	3.00	2.92	3.08	V
VHYSH	低電壓抑制復位/恢復滯后（高范圍）		± 80		mV
VLVDL	下降低電壓檢測閾值（低范圍，LVDV = 00）	1.54	1.60	1.66	V
VLVW1L	低電壓警告閾值（低范圍，LVWV = 00）	1.74	1.80	1.86	V
VLVW2L	低電壓警告閾值（低范圍，LVWV = 01）	1.84	1.90	1.96	V
VLVW3L	低電壓警告閾值（低范圍，LVWV = 10）	2.00	1.94	2.06	V
VLVW4L	低電壓警告閾值（低范圍，LVWV = 11）	2.04	2.10	2.16	V
VHYSL	低電壓抑制復位/恢復滯后（低范圍）		± 60		mV
VBG	帶隙電壓參考	0.97	1.00	1.03	V
tLPO trimmed	內部低功耗振蕩器

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NXP K20 系列芯片技術解析：特性、參數與設計要點

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引言

一、K20 系列芯片概述

二、訂購與識別

2.1 訂購信息

2.2 部件識別

三、術語與準則

3.1 操作要求

3.2 操作行為

3.3 屬性

3.4 額定值

3.5 準則

3.6 典型值

四、額定參數

4.1 熱處理額定值

4.2 濕度處理額定值

4.3 ESD 處理額定值

4.4 電壓和電流操作額定值

五、電氣特性

5.1 AC 電氣特性

5.2 非開關電氣規格

5.2.1 電壓和電流操作要求

5.2.2 LVD 和 POR 操作要求

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