模數(shù)片上集成在節(jié)能領(lǐng)域扮演日益重要的角色

混合信號(hào)芯片設(shè)計(jì)需要將模擬和數(shù)字技術(shù)集成到單顆芯片上，而這從來都不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工作。以前，模擬和數(shù)字技術(shù)團(tuán)隊(duì)各自獨(dú)立從事自己的設(shè)計(jì)，而把所有功能集成到單顆芯片上這項(xiàng)不受重視的工作，卻被交給布局和布線團(tuán)隊(duì)。微控制器設(shè)計(jì)，包含所有精心設(shè)計(jì)的外設(shè)，都會(huì)進(jìn)行布線連接，另外還有完成設(shè)計(jì)所需的振蕩器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和收發(fā)器的模擬器件。第一次真正設(shè)計(jì)測(cè)試是在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試工作臺(tái)上采用第一顆芯片進(jìn)行的，這個(gè)過程存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，在能夠投入量產(chǎn)之前，不可避免地導(dǎo)致一次或多次對(duì)Metal Layer進(jìn)行修正。 值得慶幸的是，隨著EDA設(shè)計(jì)工具的不斷進(jìn)步，憑借其先進(jìn)的集成的混合信號(hào)分析功能，我們更容易發(fā)現(xiàn)在數(shù)字外設(shè)與模擬模塊混合時(shí)可能出現(xiàn)的問題。 因此，由于錯(cuò)誤導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)和潛在成本也隨之顯著降低，這使得帶有各種外設(shè)和功能的芯片器件的開發(fā)非常符合垂直市場(chǎng)需求，吸引力也顯著增加。

推動(dòng)這種深度集成的另一個(gè)因素是市場(chǎng)對(duì)應(yīng)用和電器提出了前所未有的高能效級(jí)別要求。 在歐盟國家，92/75/EC能源標(biāo)簽指令提高了消費(fèi)者的能源消耗意識(shí)，同時(shí)也提供了對(duì)各種能源需求簡(jiǎn)單易懂的比較，包括各種家用電器、空調(diào)、照明設(shè)備、汽車的能源需求。 美國也針對(duì)本國出產(chǎn)的產(chǎn)品執(zhí)行“能源之星”標(biāo)準(zhǔn)的類似計(jì)劃。計(jì)算機(jī)電源可以進(jìn)行80 Plus標(biāo)準(zhǔn)自愿認(rèn)證，最高級(jí)別的鈦金認(rèn)證提出了一些非常苛刻的能效級(jí)別要求，還要求達(dá)到高于0.9的功率因數(shù)。由于人們對(duì)能耗的高度關(guān)注，白色家電制造商非常謹(jǐn)慎地選擇他們所使用的微控制器產(chǎn)品。以前誰會(huì)想到電冰箱設(shè)計(jì)會(huì)要求采用具有低功耗休眠模式和半智能自主外設(shè)模塊的微控制器，以幫助達(dá)到A+++能源標(biāo)簽級(jí)別。

這一切都意味著傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)方法(使用純模擬或混合信號(hào)器件，或外部處理器)已經(jīng)無法再應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，也不再是用戶的首選方法。為了進(jìn)一步降低設(shè)計(jì)導(dǎo)致的能源損失，必須將處理器集成到系統(tǒng)中，采用半智能和/或半自主外設(shè)模塊，以便能夠根據(jù)應(yīng)用的最精確測(cè)量信息，進(jìn)行正確的控制選擇。32位ARM Cortex-M0處理器非常適合為此類系統(tǒng)提供必需的處理智能。它具有12,000個(gè)邏輯門，與占用更多面積的相鄰模擬模塊相比，所需的芯片面積可以忽略不計(jì)(圖1)。因此，在設(shè)計(jì)中增加這樣一個(gè)智能區(qū)域，其成本微乎其微，同時(shí)還為最終用戶增加可觀的價(jià)值，讓他們能夠開發(fā)具有更高價(jià)值定位的產(chǎn)品。該處理器的最低功耗僅為16μW/MHz(90LP工藝)，具有單周期32x32乘法器選項(xiàng)，Cortex-M0內(nèi)核在提供出色的系統(tǒng)級(jí)功效和功耗比方面具有很大優(yōu)勢(shì)。

圖1

ADI公司的ADSP-CM40X系列器件展示了處理內(nèi)核和半自主外設(shè)的巧妙集成(圖2)。例如，為了進(jìn)行PMSM電機(jī)控制，這些混合信號(hào)控制處理器采用了雙16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有14位精度。這樣可為精確測(cè)量進(jìn)入電機(jī)的電流提供一個(gè)很好的起點(diǎn)。但僅有精確測(cè)試還是不夠的，測(cè)試時(shí)間對(duì)于我們確保精確了解要控制的電機(jī)的狀態(tài)也同樣重要。首先，雙模數(shù)轉(zhuǎn)換器可確保兩個(gè)測(cè)試是同時(shí)進(jìn)行的，從而提高控制回路精度，實(shí)現(xiàn)性能增強(qiáng)。除此之外，模數(shù)轉(zhuǎn)換器還與PWM模塊同步，確保采樣在零向量的中間點(diǎn)發(fā)生，提供有效抑制開關(guān)波紋的瞬時(shí)平均電流。片上Cortex-M4處理器具有浮點(diǎn)功能，可以利用這些精確信息來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的高能效控制。

圖2

英飛凌的XMC4000系列MCU也是一個(gè)例子(圖3)。他們的器件面向太陽能逆變器、SMPS、UPS和電機(jī)控制等應(yīng)用，帶有CAPCOM捕捉和比較單元、12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、Delta Sigma解調(diào)器和PWM模塊。如果是隔離的，這些模塊不會(huì)有任何特殊意義，但在與集成的“連接矩陣”相結(jié)合時(shí)，這些模塊能夠半自主地執(zhí)行很多控制和測(cè)量任務(wù)，從而為具有DSP擴(kuò)展的ARM Cortex-M4內(nèi)核(在CMSIS DSP庫的支持下)提供信息和實(shí)現(xiàn)高能效解決方案的機(jī)會(huì)。

圖3

另外一個(gè)例子則是Dialog Semiconductor。作為ARM Cortex-M0處理器的新授權(quán)廠商，Dialog Semiconductor計(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)展PMIC和電池管理器件系列，提供集成處理能力。

隨著物聯(lián)網(wǎng)吸引越來越多的關(guān)注以及技術(shù)的發(fā)展，它已經(jīng)日益成為現(xiàn)實(shí)，有望為我們提升能效帶來更多機(jī)會(huì)。一方面，物聯(lián)網(wǎng)將使消費(fèi)者更加重視電器的能耗，與智能手機(jī)和平板電腦應(yīng)用共享能耗信息。另一方面，電器、電源和電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了相互通信的能力，不僅可能實(shí)現(xiàn)單個(gè)設(shè)備級(jí)別上的節(jié)能，還能實(shí)現(xiàn)很多設(shè)備組成的整體系統(tǒng)的全面節(jié)能。集成處理器是實(shí)現(xiàn)這種愿景的必需要素。有一點(diǎn)我們可以肯定：市場(chǎng)對(duì)精心設(shè)計(jì)的混合信號(hào)芯片器件的需求將繼續(xù)增長(zhǎng)，同時(shí)也需要功能強(qiáng)大的高能效處理內(nèi)核作為補(bǔ)充，提供更多能耗優(yōu)勢(shì)。