模數片上集成在低耗中起著(zhù)日益重要的角色

混合信號芯片設計需要將模擬和數字技術(shù)集成到單顆芯片上，而這從來(lái)都不是一項簡(jiǎn)單的工作。以前，模擬和數字技術(shù)團隊各自獨立從事自己的設計，而把所有功能集成到單顆芯片上這項不受重視的工作，卻被交給布局和布線(xiàn)團隊。微控制器設計，包含所有精心設計的外設，都會(huì )進(jìn)行布線(xiàn)連接，另外還有完成設計所需的振蕩器、模數轉換器和收發(fā)器的模擬器件。第一次真正設計測試是在實(shí)驗室測試工作臺上采用第一顆芯片進(jìn)行的，這個(gè)過(guò)程存在潛在風(fēng)險，在能夠投入量產(chǎn)之前，不可避免地導致一次或多次對Metal Layer進(jìn)行修正。 值得慶幸的是，隨著(zhù)EDA設計工具的不斷進(jìn)步，憑借其先進(jìn)的集成的混合信號分析功能，我們更容易發(fā)現在數字外設與模擬模塊混合時(shí)可能出現的問(wèn)題。 因此，由于錯誤導致的風(fēng)險和潛在成本也隨之顯著(zhù)降低，這使得帶有各種外設和功能的芯片器件的開(kāi)發(fā)非常符合垂直市場(chǎng)需求，吸引力也顯著(zhù)增加。

推動(dòng)這種深度集成的另一個(gè)因素是市場(chǎng)對應用和電器提出了前所未有的高能效級別要求。 在歐盟國家，92/75/EC能源標簽指令提高了消費者的能源消耗意識，同時(shí)也提供了對各種能源需求簡(jiǎn)單易懂的比較，包括各種家用電器、空調、照明設備、汽車(chē)的能源需求。 美國也針對本國出產(chǎn)的產(chǎn)品執行“能源之星”標準的類(lèi)似計劃。計算機電源可以進(jìn)行80 Plus標準自愿認證，最高級別的鈦金認證提出了一些非?？量痰哪苄Ъ墑e要求，還要求達到高于0.9的功率因數。由于人們對能耗的高度關(guān)注，白色家電制造商非常謹慎地選擇他們所使用的微控制器產(chǎn)品。以前誰(shuí)會(huì )想到電冰箱設計會(huì )要求采用具有低功耗休眠模式和半智能自主外設模塊的微控制器，以幫助達到A+++能源標簽級別。

這一切都意味著(zhù)傳統電路設計方法(使用純模擬或混合信號器件，或外部處理器)已經(jīng)無(wú)法再應對這些挑戰，也不再是用戶(hù)的首選方法。為了進(jìn)一步降低設計導致的能源損失，必須將處理器集成到系統中，采用半智能和/或半自主外設模塊，以便能夠根據應用的最精確測量信息，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(lèi)系統提供必需的處理智能。它具有12,000個(gè)邏輯門(mén)，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(圖1)。因此，在設計中增加這樣一個(gè)智能區域，其成本微乎其微，同時(shí)還為最終用戶(hù)增加可觀(guān)的價(jià)值，讓他們能夠開(kāi)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，Cortex-M0內核在提供出色的系統級功效和功耗比方面具有很大優(yōu)勢。

圖1

ADI公司的ADSP-CM40X系列器件展示了處理內核和半自主外設的巧妙集成(圖2)。例如，為了進(jìn)行PMSM電機控制，這些混合信號控制處理器采用了雙16位模數轉換器，具有14位精度。這樣可為精確測量進(jìn)入電機的電流提供一個(gè)很好的起點(diǎn)。但僅有精確測試還是不夠的，測試時(shí)間對于我們確保精確了解要控制的電機的狀態(tài)也同樣重要。首先，雙模數轉換器可確保兩個(gè)測試是同時(shí)進(jìn)行的，從而提高控制回路精度，實(shí)現性能增強。除此之外，模數轉換器還與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(kāi)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(lái)實(shí)現復雜控制算法，從而實(shí)現對電機的高能效控制。

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(yáng)能逆變器、SMPS、UPS和電機控制等應用，帶有CAPCOM捕捉和比較單元、12位模數轉換器、Delta Sigma解調器和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”相結合時(shí)，這些模塊能夠半自主地執行很多控制和測量任務(wù)，從而為具有DSP擴展的ARM Cortex-M4內核(在CMSIS DSP庫的支持下)提供信息和實(shí)現高能效解決方案的機會(huì )。

圖3

另外一個(gè)例子則是Dialog Semiconductor。作為ARM Cortex-M0處理器的新授權廠(chǎng)商，Dialog Semiconductor計劃進(jìn)一步擴展PMIC和電池管理器件系列，提供集成處理能力。

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)吸引越來(lái)越多的關(guān)注以及技術(shù)的發(fā)展，它已經(jīng)日益成為現實(shí)，有望為我們提升能效帶來(lái)更多機會(huì )。一方面，物聯(lián)網(wǎng)將使消費者更加重視電器的能耗，與智能手機和平板電腦應用共享能耗信息。另一方面，電器、電源和電機控制系統實(shí)現了相互通信的能力，不僅可能實(shí)現單個(gè)設備級別上的節能，還能實(shí)現很多設備組成的整體系統的全面節能。集成處理器是實(shí)現這種愿景的必需要素。有一點(diǎn)我們可以肯定：市場(chǎng)對精心設計的混合信號芯片器件的需求將繼續增長(cháng)，同時(shí)也需要功能強大的高能效處理內核作為補充，提供更多能耗優(yōu)勢。