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(shè)計需要將模擬和數(shù)字技術(shù)集成到單顆芯片上，而這從來都不是一項簡單的工作。以前，模擬和數(shù)字技術(shù)團隊各自獨立從事自己的設(shè)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(shè)計，包含所有精心設(shè)計的外設(shè)，都會進行布線連接，另外還有完成設(shè)計所需的振蕩器、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(fēng)險，在能夠投入量產(chǎn)之前，不可避免地導(dǎo)致一次或多次對Metal Layer進行修正。 值得慶幸的是，隨著EDA設(shè)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(shè)與模擬模塊混合時可能出現(xiàn)的問題。 因此，由于錯誤導(dǎo)致的風(fēng)險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(yīng)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(biāo)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(diào)、照明設(shè)備、汽車的能源需求。 美國也針對本國出產(chǎn)的產(chǎn)品執(zhí)行“能源之星”標(biāo)準(zhǔn)的類似計劃。計算機電源可以進行80 Plus標(biāo)準(zhǔn)自愿認(rèn)證，最高級別的鈦金認(rèn)證提出了一些非常苛刻的能效級別要求，還要求達(dá)到高于0.9的功率因數(shù)。由于人們對能耗的高度關(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。以前誰會想到電冰箱設(shè)計會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)簽級別。

這一切都意味著傳統(tǒng)電路設(shè)計方法(使用純模擬或混合信號器件，或外部處理器)已經(jīng)無法再應(yīng)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(shè)計導(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(shè)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(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(nèi)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(nèi)核和半自主外設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)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(fù)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(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，這些模塊不會有任何特殊意義，但在與集成的“連接矩陣”相結(jié)合時，這些模塊能夠半自主地執(zhí)行很多控制和測量任務(wù)，從而為具有DSP擴展的ARM Cortex-M4內(nèi)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(quán)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(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，有望為我們提升能效帶來更多機會。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(yīng)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(shè)備級別上的節(jié)能，還能實現(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(shè)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(nèi)核作為補充，提供更多能耗優(yōu)勢。