|
作者：ADI公司Colin Duggan和Denis Labrecque 鑒于在性能、成本、功耗、尺寸、新功能和效率等方面宏大的提升目標，未來(lái)嵌入式系統的設計面臨著(zhù)復雜的挑戰。不過(guò)，一種有望解決這些復雜問(wèn)題的設計選項已開(kāi)始嶄露頭角——即模擬元件與ARM微控制器內核的智能集成。這種方案與傳統模擬集成的區別在于，新方案具有超高的性能，還經(jīng)過(guò)了多種優(yōu)化，以解決具體的系統級問(wèn)題。雖然每個(gè)市場(chǎng)對這些提升領(lǐng)域的優(yōu)選次序都有著(zhù)自己的認識，但同時(shí)滿(mǎn)足多個(gè)因素的要求實(shí)為眾望所歸，可以通過(guò)集成多個(gè)分立式元件來(lái)實(shí)現。從邏輯上講，組合多個(gè)器件可以實(shí)現這些嵌入式系統目標中的一大部分，但只是簡(jiǎn)單地把多個(gè)分立式元件與一枚處理器集成到一個(gè)封裝之中，這并非答案所在；解決方案要復雜得多，需要智能集成。 模擬與數字的智能集成 高性能模擬元件(放大器、ADC、DAC、基準電壓源、溫度傳感器、無(wú)線(xiàn)收發(fā)器等)與ARM 32位處理器內核的智能集成，再加上正確的數字外設，這種方式可以實(shí)現分立式解決方案無(wú)法望塵莫及的目標。為了構造出最佳混合信號控制處理器，不但需要對整個(gè)系統有著(zhù)深入的了解，需要知曉是否有正確的知識產(chǎn)權(IP)可用，同時(shí)還具備有關(guān)該知識產(chǎn)權的專(zhuān)業(yè)知識。毫無(wú)疑問(wèn)，負責為這些集成器件制定功能要求的芯片設計師和系統工程師必須對最終應用需求有著(zhù)充分的了解。這種領(lǐng)域知識至關(guān)重要，包括對電路板級要求的深入了解，包括尺寸、溫度范圍、制造考慮因素、功耗、成本和信號鏈中的配套元件。圖1所示為智能集成器件中經(jīng)常用到的模擬和數據IP模塊。 
圖1.智能集成：針對目標應用而優(yōu)化的模數組合式IP 有正確的知識產(chǎn)權可用，這是實(shí)現系統級目標的有力起點(diǎn)。這個(gè)起點(diǎn)是縮短混合信號控制處理器開(kāi)發(fā)周期的必要條件。越來(lái)越多地，適用于具體應用的知識產(chǎn)權本身的獲取/形成和實(shí)施需要由半導體制造商來(lái)協(xié)調。在此基礎上，還需要對這些知識產(chǎn)權進(jìn)行調整以滿(mǎn)足兩點(diǎn)具體要求。第一點(diǎn)是基于主要目標應用的需求優(yōu)化性能和運行，由此實(shí)現系統級效益的最大化。第二點(diǎn)是優(yōu)化知識產(chǎn)權，使其與混合信號控制處理器中的其他補充性知識產(chǎn)權模塊良好、方便兼容。 最后，在業(yè)務(wù)層需要有協(xié)調機會(huì )，將系統制造商與半導體制造商的專(zhuān)長(cháng)和知識有機地結合起來(lái)，從而實(shí)現獨特的優(yōu)化設計。 混合信號控制處理器應用 有許多應用都可以從集成了高性能模擬和ARM微控制器內核的器件受益，包括溫度檢測、壓力檢測、氣體檢測、太陽(yáng)能逆變器、電機控制、醫療生命體征監護、汽車(chē)監控系統以及水表/電表/氣表。本文將考察兩個(gè)具體的應用領(lǐng)域，其中，優(yōu)化高性能模擬與ARM微控制器內核的集成可在成本、功耗、尺寸和性能四個(gè)方面帶來(lái)極大的優(yōu)勢： 1.太陽(yáng)能光伏(PV)系統專(zhuān)用逆變器，其目標是提高效率，降低物料(BOM)成本，集成智能以支持與智能電網(wǎng)的連接。 2.電機控制，其目標是提高效率以促進(jìn)環(huán)保事業(yè)，以及降低成本。請注意，盡管這些智能集成混合信號器件是針對具體的最終應用而優(yōu)化的，但它們也可以很好地用于功能要求類(lèi)似于主要目標應用的關(guān)聯(lián)應用。 太陽(yáng)能光伏逆變器：降低成本以擴大應用范圍，集成智能以支持智能電網(wǎng) 在過(guò)去5年中，盡管太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統的年增長(cháng)率超過(guò)50%，但其在全球電力總裝機量中所占比重仍然很小。盡管在某些地區，太陽(yáng)能光伏發(fā)電已實(shí)現與化石燃料發(fā)電的平價(jià)，但在多數地區，這一目標尚未實(shí)現，而這種平價(jià)又多取決于政府補貼。 為了提高與傳統能源(如天然氣、煤、石油)的競爭優(yōu)勢，太陽(yáng)能光伏發(fā)電降低成本的最佳方式是既提高效率，又降低系統BOM成本。一方面，太陽(yáng)能面板的成本和效率朝著(zhù)正確的方向發(fā)展，另一方面，新技術(shù)也為太陽(yáng)能光伏逆變器的進(jìn)步提供了保障——這是太陽(yáng)能面板發(fā)電與電網(wǎng)之間的接口。這些新技術(shù)包括NPC 3級/5級/多級、高頻開(kāi)關(guān)拓撲結構，采用基于碳化硅(SiC)和亞硝酸鎵(GaN)材料的快速功率晶體管。 圖2所示為一種二級太陽(yáng)能光伏逆變器系統。來(lái)自面板的電能，本質(zhì)上為直流源，被轉換成交流電，以饋入電網(wǎng)。第一級為DC-DC轉換，將電平升高，以使其兼容電網(wǎng)峰值電壓。第二級為DC-AC轉換。紅線(xiàn)所標區域所示為低電壓控制元件，當與單混合信號控制處理器相結合時(shí)，可產(chǎn)生系統級效益。通過(guò)將多個(gè)元件集成到單個(gè)器件之中，通過(guò)提高新高速開(kāi)關(guān)拓撲結構的效率，由此實(shí)現節省成本的目標。結果降低了單位kW的裝機成本。由于可以使用較小電感，因此還可以通過(guò)新型拓撲結構來(lái)節省成本。這既有利于節省BOM成本，同時(shí)還可減小逆變器的尺寸。
圖2.二級太陽(yáng)能光伏逆變器系統功能框圖；紅色區域所示為智能集成模塊 高速逐次逼近型寄存器(SAR) ADC非常適合這種應用，因為，此類(lèi)ADC擁有適當的精度(13 ENOB)，其超快的轉換速率可支持較高頻率的控制環(huán)路，能對多個(gè)輸入通道進(jìn)行多路復用，還具有低延遲(< 1μS)的特性。該系統有兩個(gè)ADC，用于對電網(wǎng)電流和電壓進(jìn)行同步采樣。需要大量輸入通道來(lái)連接ADC，以便對系統中的多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行監控——有時(shí)最多需要24個(gè)通道。為滿(mǎn)足該要求，我們設計了帶緩沖功能的特殊多路復用通道，并與ADC接口。 為了支持多級轉換和高速控制環(huán)路，需要選擇架構性能適當且具備高速運行能力的處理器內核。在本例中，設計溫度范圍運行速率大于200 MHz的ARM Cortex-M4即可滿(mǎn)足該需求。 正弦濾波器(如圖2所示)與隔離式ADC結合使用。這樣可對電網(wǎng)中的電流以及直流注入進(jìn)行測量，以防止變壓器飽和。傳統方法是用一個(gè)霍爾效應電流傳感器，但與隔離式ADC相比，這種方法成本較高。該方法假定，正弦濾波器集成于混合信號控制處理器之中，從而消除了物料清單中表現為可編程邏輯的額外芯片的必要性。另外，相對于霍爾效應傳感器，ADC正弦濾波器組合的隔離還具有線(xiàn)性度更佳的額外優(yōu)勢，有利于減少諧波失真。 隨著(zhù)電網(wǎng)智能化步伐的加快，太陽(yáng)能光伏逆變器將需要具備更多智能，以幫助解決電網(wǎng)不平衡問(wèn)題。這是指來(lái)自多個(gè)源的電力超過(guò)需求的情況。為此，業(yè)界十分重視光伏系統智能，以電網(wǎng)整合為目標，電網(wǎng)的每個(gè)供電商必須相互合作以實(shí)現電網(wǎng)的穩定。電網(wǎng)整合要求更好地對饋入電網(wǎng)的電能進(jìn)行測量、控制和質(zhì)量分析。一種專(zhuān)門(mén)為電網(wǎng)電力質(zhì)量監控而設計的諧波分析引擎有助于滿(mǎn)足該需求。通過(guò)計算幾個(gè)變量(包括諧波失真、功率、rms電壓、rms電流、VAR、VA和功率系數，可以實(shí)現對電力質(zhì)量的監控。用于執行這些計算的專(zhuān)用引擎不但可以帶來(lái)超高的精度，同時(shí)還能減輕ARM Cortex-M4內核的負擔，使其無(wú)需執行該任務(wù)。 利用在設計時(shí)充分考慮了這種最終應用的混合信號控制處理器，太陽(yáng)能逆變器可以在系統層面獲得極大的優(yōu)勢�；趯κ袌�(chǎng)趨勢的了解以及堅實(shí)的系統知識，可以打造出智能化集成芯片，這種芯片不但能支持新一代拓撲結構，減少芯片數量，同時(shí)還能帶來(lái)更多功能以支持與智能電網(wǎng)的接口。 電機控制：提升效率，增進(jìn)環(huán)保事業(yè)，發(fā)揚全壽命成本節省精神 在關(guān)于發(fā)電方式的環(huán)保擔憂(yōu)之外，人們還十分關(guān)心能源的使用效率問(wèn)題。鑒于電機占全球用電量的40%，所以問(wèn)題是如何提高這些系統的環(huán)保性。答案在于提高其效率，由此減少能耗。通過(guò)普及高效電機而節省的能源量十分可觀(guān)：每年可節省數千億千瓦時(shí)的用電量，可減少大氣中二氧化碳排放量數百萬(wàn)噸。顯然，高效電機的影響具有十分重要的意義。 具體地，有多個(gè)關(guān)鍵因素推動(dòng)著(zhù)高效電機的應用。其中一個(gè)是環(huán)保問(wèn)題推動(dòng)的政府立法。歐盟已經(jīng)實(shí)施相應的法規，將來(lái)還會(huì )實(shí)施更多法規，強制要求使用更高效的電機系統。另一個(gè)關(guān)鍵推動(dòng)因素是全壽命成本優(yōu)勢。在電機控制系統的成本中，材料約占15%，運行所用能源成本占85%�？梢�(jiàn)，通過(guò)提高效率，降低電機系統全壽命成本的潛力是非常巨大的。 提高效率的方式包括特別的電機設計，電機類(lèi)型的選擇，為不具備這種控制的系統添加可調速驅動(dòng)器(ASD)，以及針對效率而優(yōu)化的控制算法。就特別的電機設計和特定電機類(lèi)型的選擇而言，永磁電機一直是關(guān)注重點(diǎn)，其使用呈增長(cháng)之勢。永磁電機的效率最高可達96%，超過(guò)了歐洲超高效能效標準(IE3)。 智能集成式混合信號控制處理器有可能實(shí)現ASD和控制算法的改進(jìn)。以成本優(yōu)勢明顯的方式集成基于A(yíng)RM的CPU子系統、PWM、ADC和多路復用功能，結果可以在系統層省去ASD的物料成本。 利用轉換時(shí)間較快的高精度ADC，可以改進(jìn)控制算法。結果可增進(jìn)電機系統的總體效率。精度高于12位的ADC可提高精度，用其來(lái)控制相位電流。然而，不能用采樣轉換延遲控制來(lái)?yè)Q取更高的精度。這樣就不能選擇通過(guò)均值或過(guò)采樣方式提升SNR的ADC。需要以終端機器(比如，貼片機)的運動(dòng)速率來(lái)測量變量�？焖俎D換時(shí)間，加上快速ARM微控制器內核，可以加快控制環(huán)路的運行速率，改進(jìn)響應時(shí)間，縮短建立時(shí)間。反過(guò)來(lái)，這又能提高生產(chǎn)線(xiàn)系統的吞吐量和效率，從而降低生產(chǎn)成本。 就如太陽(yáng)能光伏應用一樣，SAR ADC是電機控制的良好選擇。在電機控制的例子中，可以設計出高性能SAR ADC，無(wú)需均值或過(guò)采樣也可達到要求。 圖3中的各種知識產(chǎn)權模塊都經(jīng)過(guò)精心設計，相互配合良好。需要的結果是一種高度敏捷的儀器儀表子系統，可以采集多個(gè)計劃精確的采樣，并高效地將其交付給ARM的主存儲器。對于電機控制，相位繞組電流和其他測量值均可在PWM周期中的精確指定點(diǎn)進(jìn)行同步采樣。在此基礎上，采樣數據可以在不產(chǎn)生開(kāi)銷(xiāo)的情況下高效地移至微控制器的存儲器以進(jìn)行處理。為了實(shí)現這一目標，混合信號控制處理器中有5個(gè)不同的模塊需要協(xié)同工作。
圖3.電機控制系統功能框圖 周期開(kāi)始時(shí)，發(fā)送一個(gè)PWM脈沖到觸發(fā)路由單元(TRU)，后者負責將觸發(fā)主機連接至觸發(fā)從機。在本例中，PWM為觸發(fā)主機，ADC控制器(ADCC)定時(shí)器為觸發(fā)從機。ADCC需要具備管理大量事件的能力，并使用定時(shí)器(TMR0/TMR1)來(lái)跟蹤從PWM觸發(fā)到啟動(dòng)特定ADC事件所需時(shí)間。在定時(shí)器與特定事件相匹配的情況下，選擇的是ADC輸入多路復用(M0和M1)和通道(ADC0和ADC1)。接下來(lái)，將轉換開(kāi)始信號發(fā)送至ADC。采樣數據從ADC移至ADCC，然后從ADCC通過(guò)DMA移至微控制器SRAM。 下面的圖4所示為PWM脈沖、PWM同步和ADCC所控制ADC事件之間的相對時(shí)序。
圖4.用ADC對5個(gè)不同電機控制變量進(jìn)行采樣的時(shí)序 對于面向電機控制的混合信號控制處理器設計，其在PWM、TRU、多路復用、緩沖、SAR ADC和DMA 方面有著(zhù)良好的知識產(chǎn)權基礎。然而，為了在PWM周期中實(shí)現ADC采樣的精密時(shí)序，必須對這些模塊的設計進(jìn)行特別的改動(dòng)。ADCC模塊的必要性是有事實(shí)依據的，即其他知識產(chǎn)權模塊集成于單枚芯片中，它們之間需要協(xié)調。ADCC即專(zhuān)門(mén)針對這一要求而設計，充分發(fā)揮了兩個(gè)ADC引擎的高速優(yōu)勢，這些ADC引擎的轉換時(shí)間快達380 ns。 結論 高級基礎技術(shù)只是個(gè)開(kāi)端而已——芯片設計師必須對客戶(hù)的系統有著(zhù)全面的了解，并在精密模擬和數字元件的設計、應用及優(yōu)化方面具備深厚的專(zhuān)業(yè)知識。另外，芯片制造商必須愿意并有能力與系統制造商進(jìn)行直接互動(dòng)和協(xié)作，共同打造新型產(chǎn)品。選用最合適的元件，針對目標終端應用進(jìn)行優(yōu)化，對知識產(chǎn)權模塊進(jìn)行改動(dòng)，使其默契配合。只有這些條件得到滿(mǎn)足，才能將優(yōu)化的獨立元件有機地整合起來(lái)。ADI公司即推出了此類(lèi)智能集成產(chǎn)品的良好典范，其中包括ADuCM360(一款完全集成式3.9 kSPS、24位數據采集系統)以及ADSP-CM403F和ADSP-CM408F(集成兩個(gè)高精度16位ADC和ARM Cortex-M4處理器內核的混合信號控制處理器)。 下載PDF格式： 
MS-2634_cn.pdf
(440.05 KB)
|
