Freescale K60 系列芯片：技術剖析與設計指南

在當今的電子設計領域，高性能、低功耗的微控制器是眾多項目的核心選擇。Freescale 的 K60 系列芯片憑借其豐富的功能和出色的性能，在眾多應用場景中嶄露頭角。今天，我們就來深入剖析 K60 系列芯片的技術細節，為電子工程師們提供一份全面的設計指南。

文件下載：MK60DN512ZVLL10.pdf

一、K60 系列芯片概述

K60 系列芯片支持 MK60DN256ZVLL10、MK60DX256ZVLL10、MK60DN512ZVLL10 等型號，具有廣泛的應用范圍。其具備以下顯著特點：

1. 寬電壓與溫度范圍：工作電壓范圍為 1.71 至 3.6 V，閃存寫入電壓范圍與之相同，環境溫度范圍為 -40 至 105°C，能適應多種復雜的工作環境。
2. 高性能核心：采用高達 100 MHz 的 ARM Cortex - M4 核心，支持 DSP 指令，每 MHz 可提供 1.25 Dhrystone MIPS 的性能，滿足對計算能力有較高要求的應用。
3. 豐富的內存與接口：非 FlexMemory 設備最高支持 512 KB 程序閃存，FlexMemory 設備最高支持 256 KB 程序閃存和 256 KB FlexNVM，還有 4 KB FlexRAM 和最高 128 KB RAM。同時具備串行編程接口（EzPort）和 FlexBus 外部總線接口，方便與外部設備進行數據交互。
4. 多樣的時鐘源：配備 3 至 32 MHz 晶體振蕩器、32 kHz 晶體振蕩器和多用途時鐘發生器，可根據不同應用需求靈活配置時鐘頻率。
5. 系統外設豐富：擁有多種低功耗模式，可根據應用需求優化功耗；具備內存保護單元、16 通道 DMA 控制器、外部和軟件看門狗、低泄漏喚醒單元等，提高系統的穩定性和可靠性。
6. 安全與完整性保障：集成硬件 CRC 模塊、硬件隨機數發生器和硬件加密模塊，支持 DES、3DES、AES、MD5、SHA - 1 和 SHA - 256 等算法，還有 128 位唯一識別號，保障數據的安全和完整性。
7. 人機交互友好：具備低功耗硬件觸摸傳感器接口（TSI）和通用輸入/輸出接口，方便實現人機交互功能。
8. 強大的模擬模塊：包含兩個 16 位 SAR ADC、可編程增益放大器（PGA）、12 位 DAC、三個模擬比較器（CMP）和電壓參考，滿足模擬信號處理的需求。
9. 多種定時器：有可編程延遲塊、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、IEEE 1588 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，可實現精確的定時和控制功能。
10. 豐富的通信接口：支持以太網控制器、USB 全/低速 On - the - Go 控制器、兩個 CAN 模塊、三個 SPI 模塊、兩個 I2C 模塊、五個 UART 模塊、安全數字主機控制器（SDHC）和 I2S 模塊，方便與各種外部設備進行通信。

二、芯片訂購與識別

2.1 有效訂購部件的確定

要確定該設備的可訂購部件編號，可訪問 freescale.com 網站，搜索 PK60 和 MK60 等設備編號。

2.2 部件編號格式與字段含義

芯片的部件編號格式為 Q K## A M FFF R T PP CC N，各字段含義如下：	字段	描述	取值
Q	資格狀態	M = 完全合格，通用市場流通；P = 預資格
K##	Kinetis 系列	K60
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	硅片版本	Z = 初始版本；A = 主要版本后的修訂版；（空白）= 主要版本
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)；LF = 48 LQFP (7 mm x 7 mm)；FM = 32 QFN (5 mm x 5 mm)；MP = 64 MAPBGA (5 mm x 5 mm)；LK = 80 LQFP (12 mm x 12 mm)；LL = 100 LQFP (14 mm x 14 mm)；LQ = 144 LQFP (20 mm x 20 mm)；MC = 121 MAPBGA (8 mm x 8 mm)；MD = 144 MAPBGA (13 mm x 13 mm)；MJ = 256 MAPBGA (17 mm x 17 mm)
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，MK60DN512ZVMD10 就是一個具體的部件編號示例。

三、術語與指南

3.1 關鍵術語定義

• 操作要求：為避免芯片運行錯誤和可能縮短芯片使用壽命，在操作過程中必須保證的技術特性指定值或值范圍。例如，VDD 1.0 V 核心電源電壓的操作要求為 0.9 至 1.1 V。
• 操作行為：在滿足操作要求和其他指定條件的情況下，操作過程中保證的技術特性指定值或值范圍。例如，數字 I/O 弱上拉/下拉電流 IWP 的操作行為范圍為 10 至 130 μA。
• 屬性：無論是否滿足操作要求，都能保證的技術特性指定值或值范圍。例如，數字引腳的輸入電容 CIN_D 最大值為 7 pF。
• 額定值：技術特性的最小或最大值，超過該值可能導致芯片永久損壞。操作額定值適用于芯片運行期間，處理額定值適用于芯片未供電時。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。

3.2 額定值與操作要求的關系及指南

超過額定值會迅速增加芯片永久損壞的可能性，而操作要求則是正常運行時不應超過的范圍。在非正常運行時（如電源排序期間），若必須超過操作要求，應盡量縮短持續時間。

3.3 典型值

典型值是技術特性的指定值，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。典型值僅作為設計指南，不進行測試和保證。

四、芯片額定值

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
TSDR	有鉛焊接溫度	-	245	°C	根據 IPC/JEDEC 標準 J - STD - 020 確定

4.2 濕度處理額定值

符號	描述	最小值	最大值	單位	備注
MSL	濕度敏感等級	-	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 穩壓器輸入	–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有 (C_{L}=30 pF) 負載，配置為快速轉換速率和高驅動強度；輸入引腳禁用被動濾波器。

5.2 非開關電氣規格

5.2.1 電壓和電流操作要求

包括電源電壓、模擬電源電壓、差分電壓、輸入電壓、注入電流等方面的要求，如 VDD 電源電壓范圍為 1.71 至 3.6 V，VIH 輸入高電壓根據 VDD 范圍不同而不同。

5.2.2 LVD 和 POR 操作要求

規定了 (V{DD}) 電源的低電壓檢測（LVD）和上電復位（POR）的相關參數，如 VPOR 下降時的 (V{DD}) POR 檢測電壓范圍為 0.8 至 1.5 V。

5.2.3 電壓和電流操作行為

描述了輸出高/低電壓、輸出電流、輸入泄漏電流、輸入阻抗、內部上拉/下拉電阻等方面的行為，如輸出高電壓在不同條件下的范圍。

5.2.4 電源模式轉換操作行為

規定了不同電源模式轉換所需的時間，如 VLLS1 到 RUN 模式轉換時間為 134 μs。

5.2.5 功耗操作行為

給出了不同電源模式下的電流消耗，如運行模式電流在不同電壓和溫度條件下的范圍。

5.2.6 EMC 輻射發射操作行為

測量了不同封裝在不同頻率波段的輻射發射電壓，為電磁兼容性設計提供參考。

5.2.7 輻射發射設計指南

可訪問 www.freescale.com 進行“EMC design”關鍵字搜索，獲取減少輻射發射干擾的應用筆記。

5.2.8 電容屬性

模擬和數字引腳的輸入電容最大值均為 7 pF。

5.3 開關規格

5.3.1 設備時鐘規格

規定了系統和核心時鐘、總線時鐘、FlexBus 時鐘、閃存時鐘等的頻率范圍，如系統和核心時鐘正常運行模式下最大值為 100 MHz。

5.3.2 通用開關規格

適用于 GPIO、UART、CAN、CMT、IEEE 1588 定時器和 (I^{2}C) 信號，包括引腳中斷脈沖寬度、外部復位脈沖寬度、模式選擇保持時間、端口上升和下降時間等參數。

5.4 熱規格

5.4.1 熱操作要求

芯片的結溫范圍為 –40 至 125°C，環境溫度范圍為 –40 至 105°C。

5.4.2 熱屬性

給出了不同電路板類型下的熱阻和熱特性參數，如單/四層電路板在自然對流和強制對流條件下的結到環境熱阻。

六、外設操作要求與行為

6.1 核心模塊

6.1.1 調試跟蹤定時規格

規定了調試跟蹤時鐘和數據的周期、脈寬、上升/下降時間、設置/保持時間等參數，確保調試過程的準確性。

6.1.2 JTAG 電氣特性

給出了 JTAG 在不同電壓范圍下的操作電壓、時鐘頻率、周期、脈寬、數據設置/保持時間等參數，為 JTAG 調試提供電氣保障。

6.2 系統模塊

該文檔未提及系統模塊的具體規格。

6.3 時鐘模塊

6.3.1 MCG 規格

規定了內部參考頻率、DCO 輸出頻率、FLL 和 PLL 的相關參數，如 FLL 參考頻率范圍為 31.25 至 39.0625 kHz，PLL 參考頻率范圍為 2.0 至 4.0 MHz。

6.3.2 振蕩器電氣規格

包括振蕩器的直流電氣規格和頻率規格，如不同頻率和模式下的電源電流、負載電容、反饋電阻、振蕩幅度等參數，以及振蕩器的啟動時間。

6.3.3 32 kHz 振蕩器電氣特性

規定了 32 kHz 振蕩器的電源電壓、內部反饋電阻、寄生電容、振蕩幅度等參數，以及啟動時間和外部輸入時鐘的規格。

6.4 存儲器和存儲器接口

6.4.1 閃存電氣規格

包括閃存的編程和擦除定時規格、命令定時規格、高電壓電流行為和可靠性規格，如長字編程高電壓時間為 7.5 至 18 μs，數據閃存的循環耐久性為 10 K 至 50 K 周期。

6.4.2 EzPort 開關規格

規定了 EzPort 的操作電壓、時鐘頻率、信號設置/保持時間等參數，確保 EzPort 通信的準確性。

6.4.3 FlexBus 開關規格

給出了 FlexBus 在不同電壓范圍下的操作電壓、時鐘頻率、地址/數據/控制輸出有效/保持時間、數據輸入設置/保持時間等參數，為外部總線通信提供保障。

6.5 安全與完整性模塊

該文檔未提及安全與完整性模塊的具體規格。

6.6 模擬模塊

6.6.1 ADC 電氣規格

規定了 16 位 ADC 的操作條件和電氣特性，包括電源電壓、參考電壓、輸入電壓、輸入電容、轉換時鐘頻率、轉換速率等參數，以及總未調整誤差、積分非線性、滿量程誤差等性能指標。

6.6.2 CMP 和 6 - bit DAC 電氣規格

給出了比較器和 6 位 DAC 的電源電壓、電源電流、輸入電壓、偏移電壓、滯后電壓、輸出高/低電壓、傳播延遲等參數。

6.6.3 12 - bit DAC 電氣特性

包括 12 位 DAC 的操作要求和操作行為，如電源電壓、參考電壓、輸出負載電容、負載電流等要求，以及電源電流、滿量程建立時間、積分/差分非線性誤差、偏移誤差、增益誤差等行為參數。

6.6.4 電壓參考電氣規格

規定了電壓參考的操作要求和行為，如電源電壓、溫度范圍、輸出負載電容等要求，以及輸出電壓、溫度漂移、負載調節等行為參數。

6.7 定時器

定時器的相關規格可參考通用開關規格。

6.8 通信接口

6.8.1 以太網開關規格

規定了 MII 和 RMII 信號的時鐘頻率、脈寬、數據設置/保持時間等參數，滿足以太網通信的要求。

6.8.2 USB 電氣規格

USB 電氣特性符合通用串行總線實施者論壇的標準，