模擬與數(shù)字的智能集成解決棘手的嵌入式系統(tǒng)問題

鑒于在性能、成本、功耗、尺寸、新功能和效率等方面宏大的提升目標，未來嵌入式系統(tǒng)的設計面臨著復雜的挑戰(zhàn)。不過，一種有望解決這些復雜問題的設計選項已開始嶄露頭角——即模擬元件與ARM微控制器內(nèi)核的智能集成。這種方案與傳統(tǒng)模擬集成的區(qū)別在于，新方案具有超高的性能，還經(jīng)過了多種優(yōu)化，以解決具體的系統(tǒng)級問題。雖然每個市場對這些提升領域的優(yōu)選次序都有著自己的認識，但同時滿足多個因素的要求實為眾望所歸，可以通過集成多個分立式元件來實現(xiàn)。從邏輯上講，組合多個器件可以實現(xiàn)這些嵌入式系統(tǒng)目標中的一大部分，但只是簡單地把多個分立式元件與一枚處理器集成到一個封裝之中，這并非答案所在；解決方案要復雜得多，需要智能集成。

模擬與數(shù)字的智能集成

高性能模擬元件（放大器、ADC、DAC、基準電壓源、溫度傳感器、無線收發(fā)器等）與ARM 32位處理器內(nèi)核的智能集成，再加上正確的數(shù)字外設，這種方式可以實現(xiàn)分立式解決方案無法望塵莫及的目標。為了構(gòu)造出最佳混合信號控制處理器，不但需要對整個系統(tǒng)有著深入的了解，需要知曉是否有正確的知識產(chǎn)權（IP）可用，同時還具備有關該知識產(chǎn)權的專業(yè)知識。毫無疑問，負責為這些集成器件制定功能要求的芯片設計師和系統(tǒng)工程師必須對最終應用需求有著充分的了解。這種領域知識至關重要，包括對電路板級要求的深入了解，包括尺寸、溫度范圍、制造考慮因素、功耗、成本和信號鏈中的配套元件。圖1所示為智能集成器件中經(jīng)常用到的模擬和數(shù)據(jù)IP模塊。

圖1.智能集成：針對目標應用而優(yōu)化的模數(shù)組合式IP

有正確的知識產(chǎn)權可用，這是實現(xiàn)系統(tǒng)級目標的有力起點。這個起點是縮短混合信號控制處理器開發(fā)周期的必要條件。越來越多地，適用于具體應用的知識產(chǎn)權本身的獲取/形成和實施需要由半導體制造商來協(xié)調(diào)。在此基礎上，還需要對這些知識產(chǎn)權進行調(diào)整以滿足兩點具體要求。第

一點是基于主要目標應用的需求優(yōu)化性能和運行，由此實現(xiàn)系統(tǒng)級效益的最大化。第二點是優(yōu)化知識產(chǎn)權，使其與混合信號控制處理器中的其他補充性知識產(chǎn)權模塊良好、方便兼容。

最后，在業(yè)務層需要有協(xié)調(diào)機會，將系統(tǒng)制造商與半導體制造商的專長和知識有機地結(jié)合起來，從而實現(xiàn)獨特的優(yōu)化設計。

混合信號控制處理器應用

有許多應用都可以從集成了高性能模擬和ARM微控制器內(nèi)核的器件受益，包括溫度檢測、壓力檢測、氣體檢測、太陽能逆變器、電機控制、醫(yī)療生命體征監(jiān)護、汽車監(jiān)控系統(tǒng)以及水表/電表/

氣表。本文將考察兩個具體的應用領域，其中，優(yōu)化高性能模擬與ARM微控制器內(nèi)核的集成可

在成本、功耗、尺寸和性能四個方面帶來極大的優(yōu)勢：

1.太陽能光伏（PV）系統(tǒng)專用逆變器，其目標是提高效率，降低物料（BOM）成本，集成智能以支持與智能電網(wǎng)的連接。

2.電機控制，其目標是提高效率以促進環(huán)保事業(yè)，以及降低成本。請注意，盡管這些智能集成混合信號器件是針對具體的最終應用而優(yōu)化的，但它們也可以很好地用于功能要求類似于主要目標應用的關聯(lián)應用。

太陽能光伏逆變器：降低成本以擴大應用范圍，集成智能以支持智能電網(wǎng)

在過去5年中，盡管太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的年增長率超過50%，但其在全球電力總裝機量中所占比重仍然很小。盡管在某些地區(qū)，太陽能光伏發(fā)電已實現(xiàn)與化石燃料發(fā)電的平價，但在多數(shù)地區(qū)，這一目標尚未實現(xiàn)，而這種平價又多取決于政府補貼。

為了提高與傳統(tǒng)能源（如天然氣、煤、石油）的競爭優(yōu)勢，太陽能光伏發(fā)電降低成本的最佳方式是既提高效率，又降低系統(tǒng)BOM成本。一方面，太陽能面板的成本和效率朝著正確的方向發(fā)展，另一方面，新技術也為太陽能光伏逆變器的進步提供了保障——這是太陽能面板發(fā)電與電網(wǎng)之間

的接口。這些新技術包括NPC 3級/5級/多級、高頻開關拓撲結(jié)構(gòu)，采用基于碳化硅（SiC）和亞硝酸鎵（GaN）材料的快速功率晶體管。

圖2所示為一種二級太陽能光伏逆變器系統(tǒng)。來自面板的電能，本質(zhì)上為直流源，被轉(zhuǎn)換成交流電，以饋入電網(wǎng)。第一級為DC-DC轉(zhuǎn)換，將電平升高，以使其兼容電網(wǎng)峰值電壓。第二級為DC-AC

轉(zhuǎn)換。紅線所標區(qū)域所示為低電壓控制元件，當與單混合信號控制處理器相結(jié)合時，可產(chǎn)生系統(tǒng)級效益。通過將多個元件集成到單個器件之中，通過提高新高速開關拓撲結(jié)構(gòu)的效率，由此實現(xiàn)節(jié)省成本的目標。結(jié)果降低了單位kW的裝機成本。由于可以使用較小電感，因此還可以通過新型拓撲結(jié)構(gòu)來節(jié)省成本。這既有利于節(jié)省BOM成本，同時還可減小逆變器的尺寸。

圖2.二級太陽能光伏逆變器系統(tǒng)功能框圖；紅色區(qū)域所示為智能集成模塊