鑒于在性能、成本、功耗、尺寸、新功能和效率方面的積極改進目標，未來嵌入式系統(tǒng)的設計提出了復雜的挑戰(zhàn)。然而，有一種新興的設計選項可以解決這些復雜問題 - 模擬組件與ARM微控制器內(nèi)核智能集成。這種集成與傳統(tǒng)模擬集成之間的區(qū)別在于現(xiàn)在提供的高性能水平以及為解決特定系統(tǒng)級問題而進行的優(yōu)化。雖然每個市場都有自己的訂單排名來改善這些領域，但同時滿足多個因素是非常可取的，并且可以來自眾多分立元件的集成。從邏輯上講，組合器件可以解決許多嵌入式系統(tǒng)目標，但簡單地將多個分立元件和一個處理器放在一個封裝中并不是答案;該解決方案要復雜得多，需要智能集成。

模擬和數(shù)字的智能集成

將ARM的高性能模擬元件（放大器、ADC、DAC、基準電壓源、溫度傳感器、無線收發(fā)器等）和32位處理器內(nèi)核與合適的數(shù)字外設智能集成，可以實現(xiàn)分立式解決方案無法實現(xiàn)的目標。為了創(chuàng)建最佳的混合信號控制處理器，需要對整個系統(tǒng)有深入的了解，以及正確的知識產(chǎn)權（IP）的可用性，以及該知識產(chǎn)權方面的專業(yè)知識。毋庸置疑，指定這些集成器件特性的芯片設計人員和系統(tǒng)工程師必須對最終應用要求有非凡的理解。該領域知識至關重要，包括對電路板級要求的深入理解，例如外形尺寸、溫度范圍、制造考慮因素、功耗、成本和信號鏈中的互補組件。圖1顯示了智能集成設備中常用的模擬和數(shù)字IP模塊。

圖1.智能集成：模擬和數(shù)字 IP 相結合，針對目標應用進行了優(yōu)化。

正確 IP 的可用性為滿足系統(tǒng)級目標提供了堅實的起點。為了縮短混合信號控制處理器的開發(fā)周期，需要這個起點。半導體制造商越來越多地需要為適合應用的IP本身的獲取/創(chuàng)建和實施提供便利。然后需要修改此 IP 以滿足兩個特別的要求。第一種是根據(jù)主要目標應用的需求優(yōu)化性能和操作，從而最大限度地提高系統(tǒng)級優(yōu)勢。其次是優(yōu)化IP，使其與混合信號控制處理器中的其他互補IP模塊很好地和非常容易地工作。

最后，需要在業(yè)務層面提供協(xié)作機會，將系統(tǒng)制造商和半導體制造商的專業(yè)知識和知識結合起來，從而產(chǎn)生優(yōu)化的獨特設計。

混合信號控制處理器應用

將高性能模擬與ARM微控制器內(nèi)核集成在一起的器件使許多應用受益，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)療保健生命體征監(jiān)測、汽車監(jiān)測系統(tǒng)和燃氣表/水表/電表。本文將探討兩個應用領域，其中優(yōu)化的高性能模擬和ARM微控制器內(nèi)核的集成在成本、功耗、尺寸和性能方面具有顯著優(yōu)勢：

用于太陽能光伏 （PV） 系統(tǒng)的逆變器，其目標是提高效率、降低物料清單 （BOM） 成本以及集成智能以支持與智能電網(wǎng)的接口。

電機控制，其目標是提高效率，實現(xiàn)環(huán)境效益和降低成本。

請注意，雖然這些智能集成的混合信號器件針對特定的終端應用進行了優(yōu)化，但它們也可以很好地適用于與主要目標應用具有相似功能要求的眾多相鄰應用。

太陽能光伏逆變器：降低成本，實現(xiàn)智能電網(wǎng)的更廣泛使用和智能化

雖然太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在過去五年中的年增長率超過50%，但它們?nèi)匀恢徽既蚩偘l(fā)電量的很小一部分。盡管在一些地區(qū)，太陽能光伏發(fā)電的成本已經(jīng)達到與化石燃料發(fā)電相當?shù)乃?，但在大多?shù)地區(qū)還沒有，而且這種平價通常取決于政府補貼。

為了更好地與天然氣、煤炭和石油等傳統(tǒng)能源競爭，太陽能光伏發(fā)電的成本降低最好通過提高效率和降低系統(tǒng)BOM成本來實現(xiàn)。隨著電池板本身的成本和效率朝著正確的方向發(fā)展，新技術也有望推動太陽能光伏逆變器的發(fā)展，太陽能光伏逆變器是太陽能電池板產(chǎn)生的電力與電網(wǎng)之間的接口。這些新技術包括NPC 3電平/5電平/多電平高頻開關拓撲，利用基于碳化硅（SiC）和亞硝酸鎵（GaN）材料的快速功率晶體管。

圖2顯示了一個兩級太陽能光伏逆變器系統(tǒng)。來自面板的電力（本質(zhì)上是直流電源）被轉換為交流電，因此可以饋送到電網(wǎng)。第一級是DC-DC轉換，可提高電壓電平，使其與電網(wǎng)上的峰值電壓兼容。第二階段是DC-AC轉換。紅色輪廓區(qū)域顯示了用于控制的低壓組件，當它們組合到單個混合信號控制處理器中時，可以在系統(tǒng)級別上帶來好處。通過將多個組件集成到單個器件中以及通過提高新型高速開關拓撲的效率，可以節(jié)省成本。結果是降低了每千瓦的安裝成本。由于可以使用更小的電感器，因此使用新拓撲還可以節(jié)省成本。這節(jié)省了BOM成本，并允許減小逆變器的尺寸。

圖2.臺式太陽能光伏逆變器系統(tǒng)框圖;紅色區(qū)域顯示用于智能集成的目標 D 塊。

高速逐次逼近寄存器（SAR）ADC非常適合此應用，因為它們提供適當?shù)木人剑?3 ENOB）、支持更高頻率控制環(huán)路的快速轉換速度、支持多個輸入通道多路復用的能力以及低延遲（<1μS）。該系統(tǒng)具有兩個ADC，用于同時對電網(wǎng)上的電流和電壓進行采樣。為了監(jiān)控系統(tǒng)中的多個點，ADC需要大量輸入通道，在某些情況下多達24個模擬通道。為了滿足這一要求，設計了帶緩沖的特殊多路復用器并與ADC接口。

為了支持多級轉換和高速控制環(huán)路，需要選擇具有適合高速運行的架構性能和能力的處理器內(nèi)核。在這種情況下，ARM Cortex?-M4，設計用于在溫度范圍內(nèi)大于200MHz的工作，將滿足需求。

sinc濾波器（如圖2所示）與隔離ADC結合使用。這允許測量電網(wǎng)上的交流和直流注入，以避免變壓器飽和。傳統(tǒng)方法是使用霍爾效應電流傳感器，但與隔離 ADC 相比，這很昂貴。這假設sinc濾波器集成到混合信號控制處理器中，避免了BOM中以可編程邏輯形式增加芯片。與霍爾效應傳感器相比，ADC sinc濾波器組合的隔離還具有改善線性度的額外優(yōu)勢，從而降低了諧波失真。

隨著電網(wǎng)變得更加智能，太陽能光伏逆變器將需要具有更多的智能來幫助解決電網(wǎng)不平衡問題。也就是說，從多個來源獲得的功率超過所需功率的情況。出于這個原因，人們關注光伏系統(tǒng)智能，著眼于電網(wǎng)整合，其中電網(wǎng)的每個貢獻者必須合作以穩(wěn)定電網(wǎng)。電網(wǎng)整合需要更好地測量、控制和分析饋入電網(wǎng)的能源質(zhì)量。專門設計用于監(jiān)測注入電網(wǎng)的電能質(zhì)量的諧波分析引擎有助于滿足這一需求。通過計算許多變量，包括諧波失真、功率、均方根電壓、均方根電流、VAR、VA和功率因數(shù)，可以監(jiān)控電源質(zhì)量。執(zhí)行這些計算的專用引擎可以提供非常高的精度，同時減輕 ARM Cortex-M4 內(nèi)核執(zhí)行此任務的負擔。

太陽能逆變器可以在系統(tǒng)層面顯著受益，使用混合信號控制處理器，這些處理器的設計考慮了這種最終應用。對市場趨勢的理解和扎實的系統(tǒng)知識可以帶來智能集成的芯片，能夠支持芯片數(shù)量較少的下一代拓撲，同時還增加支持與智能電網(wǎng)接口的功能。

電機控制：提高效率，改善環(huán)境并節(jié)省終身成本

除了對能源如何產(chǎn)生的環(huán)境問題外，還存在對能源使用效率的擔憂。鑒于電機占全球用電量的40%，提出的問題是如何使這些系統(tǒng)更加環(huán)保。答案是使它們更有效率，從而減少能源的使用。廣泛使用更高效的電機所節(jié)省的成本是巨大的：電力節(jié)省數(shù)千億千瓦時，一氧化碳減少2 每年釋放到大氣中的數(shù)百萬噸。更高效的電機的影響顯然非常顯著。

具體來說，使用更高效的電機有幾個關鍵驅動因素。一個推動力是政府立法，由環(huán)境問題驅動。歐盟已經(jīng)制定了法規(guī)，未來還會有更多法規(guī)要求使用更高效的電機系統(tǒng)。另一個關鍵驅動因素是終身成本優(yōu)勢。電機控制系統(tǒng)成本的近似值為材料的15%和基于運行所用能源的85%。因此，以更高的效率降低電機系統(tǒng)的生命周期成本具有巨大的潛力。

通過特殊的電機設計、電機類型的選擇、為沒有這種控制的系統(tǒng)添加可調(diào)速驅動器 （ASD） 以及優(yōu)化效率的控制算法，可以實現(xiàn)更高的效率。在特殊電機設計和特定類型電機的選擇方面，永磁電機一直是焦點，并且使用量一直在上升。永磁電機的效率可高達96%，超過了歐洲的超高效率標準（IE3）。

智能集成的混合信號控制處理器為 ASD 和控制算法提供了潛在的改進。經(jīng)濟高效地集成基于 ARM 的 CPU 子系統(tǒng)、PWM、ADC 和多路復用器，從而減少 ASD 的系統(tǒng)級 BOM。

通過使用具有快速轉換時間的高精度ADC，可以改進控制算法。這提高了整個電機系統(tǒng)的效率。精度大于12位的ADC可提高相電流的控制精度。但是，不能用采樣轉換延遲來換取更高的精度。這樣就消除了ADC為改善SNR而進行平均或過采樣的選項。變量需要以終端機器的移動速率進行測量（例如，拾取和放置機器）?？焖俎D換時間與快速ARM微控制器內(nèi)核相輔相成，使控制環(huán)路運行得更快，從而獲得更好的響應和建立時間。反過來，這可以提高制造生產(chǎn)線系統(tǒng)的吞吐量和效率，從而降低生產(chǎn)成本。

與太陽能光伏應用一樣，SAR ADC是電機控制的不錯選擇。在電機控制情況下，高性能SAR ADC掃描設計無需平均或過采樣即可滿足要求。

圖 3 中的各種 IP 模塊經(jīng)過精心設計，因此它們可以很好地協(xié)同工作。期望的結果是一個非常敏捷的儀器子系統(tǒng)，可以采集多個精確調(diào)度的樣本，并將它們有效地傳送到ARM的主存儲器中。對于電機控制，相位繞組電流和其他測量值都可以在PWM周期中精確指定的點同步采樣。然后，采樣數(shù)據(jù)可以有效地移動到微控制器的存儲器中進行處理，沒有開銷?；旌闲盘柨刂铺幚砥髦械奈鍌€不同模塊需要協(xié)同工作才能完成此任務。

圖3.電機控制系統(tǒng)框圖。

該周期從發(fā)送到觸發(fā)路由單元 （TRU） 的 PWM 脈沖開始，該路由單元的任務是將觸發(fā)主機連接到觸發(fā)從機。在這種情況下，PWM是觸發(fā)主機，ADC控制器（ADCC）定時器是觸發(fā)從機。ADCC需要能夠管理大量事件，并使用定時器（TMR0/TMR1）來跟蹤從PWM觸發(fā)到啟動特定ADC事件的時間。當定時器與特定事件匹配時，選擇ADC輸入多路復用（M0和M1）和通道（ADC0和ADC1）。轉換開始信號隨后被發(fā)送到ADC。樣本數(shù)據(jù)從ADC移動到ADCC，然后通過DMA從ADCC移動到微控制器SRAM。

下面的圖4顯示了PWM脈沖、PWM同步和ADCC控制的ADC事件之間的相對時序。

圖4.使用ADC對五個不同電機控制變量進行采樣的時序。

PWM、TRU、多路復用、緩沖、SAR ADC和DMA提供了良好的基本IP起點，用于設計針對電機控制的混合信號控制處理器。然而，為了在PWM周期內(nèi)實現(xiàn)ADC采樣的精確時序所需的協(xié)調(diào)水平，有必要對這些模塊進行特定的設計修改。對ADCC模塊的需求是基于這樣一個事實，即其他IP模塊集成到單個芯片中并且需要協(xié)調(diào)。ADCC專為滿足這一要求而設計，并充分利用了兩個ADC引擎的高速，其快速轉換時間為380 ns。

結論

先進的基礎技術只是起點，芯片設計人員必須對客戶的系統(tǒng)有廣泛的了解，并在精密模擬和數(shù)字組件的設計、應用和優(yōu)化方面擁有深厚的專業(yè)知識。此外，芯片制造商必須愿意并且能夠直接與系統(tǒng)制造商互動和協(xié)作，以創(chuàng)造新產(chǎn)品。選擇最合適的組件，針對目標終端應用進行優(yōu)化，并修改IP模塊以很好地協(xié)同工作。只有這樣，優(yōu)化的部分才能被集成。ADI公司提供了這些智能集成產(chǎn)品的示例，包括ADuCM360，這是一款完全集成的3.9 kSPS24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及集成了雙通道高精度403位ADC和ARM Cortex-M408處理器內(nèi)核的ADSP-CM16F和ADSP-CM4F混合信號控制處理器。

審核編輯：郭婷