一种基于FPGA的隔离SIP芯片的制作方法

本技术属于系统级封装芯片，尤其涉及一种基于fpga的隔离sip芯片。

背景技术：

1、sip（system in package）芯片，中文译为“系统级封装”，与传统的单芯片封装不同，sip技术在一个封装内集成了多个不同功能的芯片或元件，这些芯片可以是数字处理器、模拟电路、存储器、传感器等。通过这种方式，sip能够实现高度集成和多功能的系统解决方案。

2、基于fpga的全隔离sip（system in package）芯片结合了fpga的灵活性和高性能以及sip的高度集成和隔离特性，适用于多种需要高性能、高可靠性及电气隔离的应用场景，例如可以将fpga芯片与控制risc-v运算的微控制器芯片集成在一个封装芯片内，便可以通过fpga芯片控制risc-v的加速运算，有效提高运算速度以及运算效率。

3、隔离控制器在多领域多行业种都有这广泛的应用，如工业控制系统、电力系统、通信系统、航空航天、企业电子、汽车电子医疗设备等领域。其大多是基于pcb板级集成核心控制器，如mcu，fpga，arm，rsic-v等，在外部通用io连接数字隔离器，在电源部分增加隔离电源。

4、隔离电源的基本原理是通过变压器、光耦等隔离器件，将输入电源与输出电源在电气上进行隔离，以阻止电流在输入和输出之间直接流通。可以提供有效的电气隔离，保障人员和设备的安全。有效隔离输入侧的噪声、干扰和故障，防止其传播到输出侧，保护后端负载免受影响。避免接地回路问题，减少潜在的电气事故。具有良好的稳定性，输入电压的波动和变化对输出电压的影响较小，提供稳定的输出电压。具有过压保护、过流保护、短路保护等功能，提高电源系统的可靠性和耐用性，防止异常情况损坏负载。

5、对arm、mcu、fpga等微控制器提出了新的要求，对电子元件的emc、emi、以及esd与传统设备兼容上提出了新的要求。但是传统的分立器件控制隔离方案，控制器加隔离芯片，占用体积大，外部电源复杂，不适用于体积小集成度高的sip芯片，因此有必要设计一种应用于sip芯片的隔离控制方案，在不占用sip芯片过多体积条件下，还可以提高芯片的隔离控制能力。

技术实现思路

1、本实用新型提供一种基于fpga的隔离sip芯片，通过数字隔离器将基于fpga的sip芯片上的所有io进行隔离，有效防止外部信号波动，同时对数字隔离器布置进行设计，不占用芯片过多体积。

2、本实用新型的其他目的和优点可以从本实用新型所揭露的技术特征中得到进一步的了解。

3、为达上述之一或部分或全部目的或其他目的，本实用新型一技术方案所提供的一种基于fpga的隔离sip芯片，包括放置在基板上的微控制器芯片以及fpga芯片，所述微控制器芯片以及fpga芯片之间通过并行接口连接；

4、所述fpga芯片、微控制器芯片与收发器、总线控制芯片之间设置有多路数字隔离器a、多路数字隔离器b以及多路数字隔离器c；所述多路数字隔离器a两端连接所述fpga芯片以及所述收发器；所述多路数字隔离器b两端连接所述fpga芯片与收发器，以及连接所述微控制器芯片与所述总线控制芯片；所述多路数字隔离器c的两端连接所述收发器与所述fpga芯片，以及连接所述微控制器芯片与所述总线控制芯片；所述微控制器芯片与差分信号传输控制芯片之间通过多对数字隔离器进行信号隔离。本实用新型的基于fpga的全隔离sip芯片，对芯片上控制器的所有io接口使用了数字隔离器进行隔离，防止外部信号的波动，保护核心控制器，同时使用多个多路数字隔离器进行复用，在保证隔离效果的同时还可以减小芯片体积。

5、所述多路数字隔离器a用于所述fpga芯片传输至所述收发器的输出信号的隔离；所述多路数字隔离器b用于所述fpga芯片传输至所述收发器的输出信号的隔离，以及用于所述微控制器芯片传输至所述总线控制芯片的输出信号以及数据起始位信号的隔离；所述多路数字隔离器c用于所述收发器回传至所述fpga芯片上的回传信号的隔离，以及所述总线控制芯片回传至所述微控制器芯片的回传信号的隔离。

6、所述多路数字隔离器b将所述微控制器芯片的输出信号以及数据起始位信号进行分组，每组信号包括1个输出信号以及1个数据起始位信号，每组信号传递至一个总线控制芯片。

7、所述多路数字隔离器a、多路数字隔离器b以及多路数字隔离器c可隔离信号的数量相同。

8、所述总线控制芯片上设置有总线接口，所述总线控制芯片固定在所述基板上。

9、所述fpga芯片上还连接有多通道adc芯片，所述多通道adc芯片上设置有多个adc接口，多个所述多通道adc芯片固定在所述基板上。

10、所述差分信号传输控制芯片在所述微控制器芯片的两侧设置多个，多个所述差分信号传输控制芯片分组，每组所述差分信号传输控制芯片与一个多对数字隔离器连接，多个所述多对数字隔离器通过信号线连接至所述微控制器芯片。

11、任一个所述的多对数字隔离器与所述微控制器芯片之间设置有一对信号线，一对信号线用于传递所述微控制器芯片的输出信号以及接收所述差分信号传输控制芯片的回传信号。

12、所述差分信号传输控制芯片上设置有多个差分信号传输接口，所述差分信号传输控制芯片固定在所述基板上。

13、所述基板上设置有电源芯片，所述电源芯片内集成有降压转换器芯片。

14、与现有技术相比，本实用新型的有益效果主要包括：

15、1、使用多个多路数字隔离器进行复用，依据微控制器芯片与总线控制器芯片之间以及fpga芯片与收发器之间传递的信号数量，合理的选择每个多路数字隔离器可隔离信号的数量，同时选择两个多路数字隔离器用于微控制器芯片、fpga芯片向总线控制器芯片以及收发器进行信号传递，选择一个多路数字隔离器用于信号回传，经过复用，可以减少多路数字隔离器的数量，减小芯片体积，同时将fpga、微控制器芯片以及数字隔离器集成在一个封装内，减少了对外部环境的暴露，在一个封装内可以更好的控制组件之间距离及布线，保证隔离sip芯片具有较好的隔离效果。

16、2、将fpga、微控制器芯片以及数字隔离器使用系统级封装工艺（sip）进行合封，可以缩短信号的传输路径，减少信号的衰减和失真，提高了系统的稳定性以及可靠性。

17、为让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

技术特征：

1.一种基于fpga的隔离sip芯片，其特征在于，包括放置在基板上的微控制器芯片以及fpga芯片，所述微控制器芯片以及fpga芯片之间通过并行接口连接；

2.根据权利要求1所述的一种基于fpga的隔离sip芯片，其特征在于，所述多路数字隔离器a用于所述fpga芯片传输至所述收发器的输出信号的隔离；

3.根据权利要求2所述的一种基于fpga的隔离sip芯片，其特征在于，所述多路数字隔离器b将所述微控制器芯片的输出信号以及数据起始位信号进行分组，每组信号包括1个输出信号以及1个数据起始位信号，每组信号传递至一个总线控制芯片。

4.根据权利要求1所述的一种基于fpga的隔离sip芯片，其特征在于，所述多路数字隔离器a、多路数字隔离器b以及多路数字隔离器c可隔离信号的数量相同。

5.根据权利要求1所述的一种基于fpga的隔离sip芯片，其特征在于，所述总线控制芯片上设置有总线接口，所述总线控制芯片固定在所述基板上。

6.根据权利要求1所述的一种基于fpga的隔离sip芯片，其特征在于，所述fpga芯片上还连接有多通道adc芯片，所述多通道adc芯片上设置有多个adc接口，所述多通道adc芯片固定在所述基板上。

7.根据权利要求1所述的一种基于fpga的隔离sip芯片，其特征在于，所述差分信号传输控制芯片在所述微控制器芯片的两侧设置多个，多个所述差分信号传输控制芯片分组，每组所述差分信号传输控制芯片与一个多对数字隔离器连接，多个所述多对数字隔离器通过信号线连接至所述微控制器芯片。

8.根据权利要求7所述的一种基于fpga的隔离sip芯片，其特征在于，任一个所述的多对数字隔离器与所述微控制器芯片之间设置有一对信号线，一对信号线用于传递所述微控制器芯片的输出信号以及接收所述差分信号传输控制芯片的回传信号。

9.根据权利要求7所述的一种基于fpga的隔离sip芯片，其特征在于，所述差分信号传输控制芯片上设置有多个差分信号传输接口，所述差分信号传输控制芯片固定在所述基板上。

10.根据权利要求1所述的一种基于fpga的隔离sip芯片，其特征在于，所述基板上设置有电源芯片，所述电源芯片内集成有降压转换器芯片。

技术总结
本技术提供一种基于FPGA的隔离SIP芯片，包括放置在基板上的微控制器芯片以及FPGA芯片，所述微控制器芯片以及FPGA芯片之间通过并行接口连接；所述FPGA芯片、微控制器芯片与收发器、总线控制芯片之间通过多路数字隔离器进行信号隔离；所述微控制器芯片与差分信号传输控制芯片之间通过多对数字隔离器进行信号隔离。本技术基于FPGA的全隔离SIP芯片，对芯片上控制器的所有IO接口使用了数字隔离器进行隔离，防止外部信号的波动，保护核心控制器，同时使用多个多路数字隔离器进行复用，可以减少多路数字隔离器的数量，减小芯片体积。

技术研发人员：高小龙,赵军辉,魏育成
受保护的技术使用者：苏州中科集智电子科技有限公司
技术研发日：20241111
技术公布日：2024/12/19