模數(shù)片上集成在低耗中起著日益重要的角色

混合信號芯片設計需要將模擬和數(shù)字技術集成到單顆芯片上，而這從來都不是一項簡單的工作。以前，模擬和數(shù)字技術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團隊。微控制器設計，包含所有精心設計的外設，都會進行布線連接，另外還有完成設計所需的振蕩器、模數(shù)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驗室測試工作臺上采用第一顆芯片進行的，這個過程存在潛在風險，在能夠投入量產之前，不可避免地導致一次或多次對Metal Layer進行修正。 值得慶幸的是，隨著EDA設計工具的不斷進步，憑借其先進的集成的混合信號分析功能，我們更容易發(fā)現(xiàn)在數(shù)字外設與模擬模塊混合時可能出現(xiàn)的問題。 因此，由于錯誤導致的風險和潛在成本也隨之顯著降低，這使得帶有各種外設和功能的芯片器件的開發(fā)非常符合垂直市場需求，吸引力也顯著增加。

推動這種深度集成的另一個因素是市場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，同時也提供了對各種能源需求簡單易懂的比較，包括各種家用電器、空調、照明設備、汽車的能源需求。 美國也針對本國出產的產品執(zhí)行“能源之星”標準的類似計劃。計算機電源可以進行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(shù)。由于人們對能耗的高度關注，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品。以前誰會想到電冰箱設計會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。

這一切都意味著傳統(tǒng)電路設計方法(使用純模擬或混合信號器件，或外部處理器)已經無法再應對這些挑戰(zhàn)，也不再是用戶的首選方法。為了進一步降低設計導致的能源損失，必須將處理器集成到系統(tǒng)中，采用半智能和/或半自主外設模塊，以便能夠根據(jù)應用的最精確測量信息，進行正確的控制選擇。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(圖1)。因此，在設計中增加這樣一個智能區(qū)域，其成本微乎其微，同時還為最終用戶增加可觀的價值，讓他們能夠開發(fā)具有更高價值定位的產品。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(tǒng)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(shù)轉換器，具有14位精度。這樣可為精確測量進入電機的電流提供一個很好的起點。但僅有精確測試還是不夠的，測試時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(shù)轉換器可確保兩個測試是同時進行的，從而提高控制回路精度，實現(xiàn)性能增強。除此之外，模數(shù)轉換器還與PWM模塊同步，確保采樣在零向量的中間點發(fā)生，提供有效抑制開關波紋的瞬時平均電流。片上Cortex-M4處理器具有浮點功能，可以利用這些精確信息來實現(xiàn)復雜控制算法，從而實現(xiàn)對電機的高能效控制。

圖2

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

圖3

另外一個例子則是Dialog Semiconductor。作為ARM Cortex-M0處理器的新授權廠商，Dialog Semiconductor計劃進一步擴展PMIC和電池管理器件系列，提供集成處理能力。

隨著物聯(lián)網吸引越來越多的關注以及技術的發(fā)展，它已經日益成為現(xiàn)實，有望為我們提升能效帶來更多機會。一方面，物聯(lián)網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(tǒng)實現(xiàn)了相互通信的能力，不僅可能實現(xiàn)單個設備級別上的節(jié)能，還能實現(xiàn)很多設備組成的整體系統(tǒng)的全面節(jié)能。集成處理器是實現(xiàn)這種愿景的必需要素。有一點我們可以肯定：市場對精心設計的混合信號芯片器件的需求將繼續(xù)增長，同時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。