整合數字處理器 模擬SoC提高節能效益

　　類(lèi)比系統單晶片(SoC)整合數位處理器成大勢所趨。因應物聯(lián)網(wǎng)應用對降低功耗的需求日益殷切，類(lèi)比與混合訊號晶片開(kāi)發(fā)商已開(kāi)始在新一代解決方案中，導入嵌入式數位處理器，藉此實(shí)現更精準的系統管理，改善整體功率消耗情形。

　　在未來(lái)幾年，類(lèi)比和混合訊號半導體市場(chǎng)預期將會(huì )有一些重大的改變。物聯(lián)網(wǎng)(IoT)將使數十億個(gè)物件可透過(guò)網(wǎng)際網(wǎng)路協(xié)定(IP)互相連接，為感測、控制、驅動(dòng)和連接各種類(lèi)比訊號、裝置及系統的運作方式，提供了豐富的應用商機。

　　另一個(gè)電子產(chǎn)業(yè)最關(guān)注的重要趨勢，是降低系統層級功耗和提高能源效率，而數位處理技術(shù)向類(lèi)比晶片設計領(lǐng)域的進(jìn)逼，是否能對于這些策略性趨勢提供一個(gè)解決方案?

　　類(lèi)比設計是眾所周知的技術(shù)，而在先進(jìn)的混合訊號設計中結合數位設計則是非常復雜的制程--雖然近年來(lái)已變得容易許多，而其之所以能加速發(fā)展的重要的因素，是混合訊號設計流程的日趨精密。

　　現在，電子設計自動(dòng)化(EDA)工具使工程師能夠同時(shí)設計和模擬類(lèi)比和數位訊號，并同時(shí)執行C語(yǔ)言。在此之前，設計、模擬類(lèi)比和數位電路具有不同程度的分別，尤其當這些工作都結合于一個(gè)單晶片上時(shí)，更加難以在設計初期就一次成功。

　　然而，漸漸地，由于新先進(jìn)設計工具的出現，現在這些流程幾乎可瞬間完成，而不需額外的開(kāi)發(fā)時(shí)間。當愈來(lái)愈多可取得的類(lèi)比矽智財及數位資料庫加至混合方案時(shí)，任何類(lèi)比或混合訊號晶片供應商將可更容易和更快速地提出高效的設計，這對于以往那些較缺乏經(jīng)驗的設計者而言是不可能發(fā)生的事情。

　　數位處理器加快驗證速度

　　這些在設計流程的先進(jìn)功能，使其可愈來(lái)愈容易地嵌入數位處理器至類(lèi)比或混合訊號設計;舉例來(lái)說(shuō)，32位元Cortex-M0處理器核心由一萬(wàn)兩千個(gè)邏輯閘建置，因此體積非常小，而周?chē)念?lèi)比晶片面積加大，對于所增加之晶片面積的額外成本也相對地減少。

　　另一方面，數位子系統的新增同時(shí)也顯著(zhù)提高了測試裝置的能力，這項優(yōu)勢目前還未被廣為周知。事實(shí)上，數位處理器可以用在混合訊號系統單晶片(SoC)上進(jìn)行各種形式的晶片上(On-chip)測試和校準，而能使類(lèi)比電子的驗證更為簡(jiǎn)易。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是增加系統整合度，如此可降低終端系統的總體成本，如獨立的微控制器(MCU)可與類(lèi)比或混合訊號晶片一起用在系統設計中，亦即透過(guò)晶片上的處理器，類(lèi)比晶片供應商可提供更高的整合度。

　　當然，這在實(shí)際上可能會(huì )或者不會(huì )發(fā)生，亦即有些廠(chǎng)商可能希望透過(guò)數位處理器來(lái)達到晶片上的可測性，而不一定對客戶(hù)開(kāi)放來(lái)進(jìn)行未來(lái)的功能開(kāi)發(fā)。但總體而言，這對于晶片供應商而言是一個(gè)非常明確的價(jià)值主張。另一方面，領(lǐng)導級的數位方案廠(chǎng)商正在透過(guò)類(lèi)比零組件積極強化其數位處理產(chǎn)品組合。

　　數位處理器優(yōu)化系統效能

　　雖然新一代的混合訊號元件具有可滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)要求的功能，但重點(diǎn)是，嵌入式數位處理器將顯著(zhù)提高整體系統的效率和性能，并大量節省電力消耗。

　　那么，數位處理器可以如何提升類(lèi)比零組件的能力，進(jìn)而改善系統功率消耗?一個(gè)特殊而重要的例子，是馬達控制。在這里，電力電子技術(shù)和類(lèi)比功能是絕對至關(guān)重要的，但數位處理器可以達到更佳的速度或旋轉馬達管理，并提供約40%的節能效率。馬達在這個(gè)例子中是指工業(yè)應用中的大型馬達，而不一定是如玩具等低成本的消耗品。數位電路不會(huì )就此取代類(lèi)比，說(shuō)穿了它只是透過(guò)數位控制來(lái)提高整體系統的品質(zhì)。

　　因此，透過(guò)這些先進(jìn)功能，配合更高整合可能性，以及更高層次的晶片上功能，當在混合訊號晶片中包含一個(gè)小而強大的數位處理器核心時(shí)，將可達到非?？焖俚耐顿Y報酬。這從目前市場(chǎng)上嵌入了數位處理能力的類(lèi)比和混合訊號元件可得到證明。

　　其中一個(gè)例子是亞德諾(ADI)的混合訊號處理器--ADSP-CMX40X，其包含一個(gè)Cortex-M4處理器，使馬達驅動(dòng)器開(kāi)發(fā)業(yè)者在矽晶中添加更多的功能。該裝置專(zhuān)門(mén)針對工業(yè)市場(chǎng)的高效節能應用，旨在提供更準確的馬達控制，以用于馬達驅動(dòng)器、光伏逆變器和閉路伺服控制。

　　第二個(gè)例子是英飛凌(Infineon)的XMC4000家族，它也嵌入了Cortex-M4，旨在提高工業(yè)應用的能源效率。第三個(gè)實(shí)例是最近戴樂(lè )格(Dialog)的Cortex-M0處理器，該公司計劃將其做為廣泛電源管理IC的控制器，以提供智慧型手機或平板電腦之電源控制及電池管理功能。

　　SoC整合數位處理器成趨勢

　　在未來(lái)幾年，或甚至更快的時(shí)間，高比例的類(lèi)比和混合訊號晶片設計將整合高性能的數位訊號處理子系統來(lái)提供控制和管理功能。有些還將使開(kāi)發(fā)人員能夠在上面添加自己的軟體碼，主要的應用可能是馬達控制和電力電子，透過(guò)數位智能，應用系統尤其是馬達應用，將能節省大量的能源。最近的一項估計顯示，電動(dòng)馬達消耗全球40%的電能，而多數是用于工業(yè)馬達驅動(dòng)。因此，在類(lèi)比設計中導入小部分的數位處理功能，將可為環(huán)境和成本帶來(lái)顯著(zhù)的利益。

　　未來(lái)幾年內，物聯(lián)網(wǎng)對于降低功耗的需求將更加劇。為因應此趨勢，新一代的先進(jìn)類(lèi)比和混合訊號電路，將可能是結合周邊類(lèi)比(AnalogueOnTheEdge)以進(jìn)行感知及啟動(dòng)，同時(shí)透過(guò)數位核心(DigitalAtTheHeart)來(lái)控制、進(jìn)行決策和溝通。一個(gè)高度整合和數位控制的類(lèi)比系統單晶片具有可節省40%工業(yè)馬達耗電的潛力，無(wú)論其是來(lái)自類(lèi)比或數位半導體供應商，都具有充分的理由能在不久的將來(lái)成為炙手可熱的技術(shù)。