模擬與數(shù)字的智能集成

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(biāo)，未來(lái)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)面臨著復(fù)雜的挑戰(zhàn)。不過(guò)，一種有望解決這些復(fù)雜問(wèn)題的設(shè)計(jì)選項(xiàng)已開(kāi)始嶄露頭角——即模擬元件與ARM微控制器內(nèi)核的智能集成。這種方案與傳統(tǒng)模擬集成的區(qū)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(tǒng)級(jí)問(wèn)題。雖然每個(gè)市場(chǎng)對(duì)這些提升領(lǐng)域的優(yōu)選次序都有著自己的認(rèn)識(shí)，但同時(shí)滿足多個(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(xiàn)。從邏輯上講，組合多個(gè)器件可以實(shí)現(xiàn)這些嵌入式系統(tǒng)目標(biāo)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(fù)雜得多，需要智能集成。

模擬與數(shù)字的智能集成

高性能模擬元件（放大器、ADC、DAC、基準(zhǔn)電壓源、溫度傳感器、無(wú)線收發(fā)器等）與ARM 32位處理器內(nèi)核的智能集成，再加上正確的數(shù)字外設(shè)，這種方式可以實(shí)現(xiàn)分立式解決方案無(wú)法望塵莫及的目標(biāo)。為了構(gòu)造出最佳混合信號(hào)控制處理器，不但需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有著深入的了解，需要知曉是否有正確的知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）可用，同時(shí)還具備有關(guān)該知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。毫無(wú)疑問(wèn)，負(fù)責(zé)為這些集成器件制定功能要求的芯片設(shè)計(jì)師和系統(tǒng)工程師必須對(duì)最終應(yīng)用需求有著充分的了解。這種領(lǐng)域知識(shí)至關(guān)重要，包括對(duì)電路板級(jí)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(hào)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(shù)據(jù)IP模塊。

圖1.智能集成：針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用而優(yōu)化的模數(shù)組合式IP

有正確的知識(shí)產(chǎn)權(quán)可用，這是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)目標(biāo)的有力起點(diǎn)。這個(gè)起點(diǎn)是縮短混合信號(hào)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(yīng)用的知識(shí)產(chǎn)權(quán)本身的獲取/形成和實(shí)施需要由半導(dǎo)體制造商來(lái)協(xié)調(diào)。在此基礎(chǔ)上，還需要對(duì)這些知識(shí)產(chǎn)權(quán)進(jìn)行調(diào)整以滿足兩點(diǎn)具體要求。第

一點(diǎn)是基于主要目標(biāo)應(yīng)用的需求優(yōu)化性能和運(yùn)行，由此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)效益的最大化。第二點(diǎn)是優(yōu)化知識(shí)產(chǎn)權(quán)，使其與混合信號(hào)控制處理器中的其他補(bǔ)充性知識(shí)產(chǎn)權(quán)模塊良好、方便兼容。

最后，在業(yè)務(wù)層需要有協(xié)調(diào)機(jī)會(huì)，將系統(tǒng)制造商與半導(dǎo)體制造商的專(zhuān)長(zhǎng)和知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

混合信號(hào)控制處理器應(yīng)用

有許多應(yīng)用都可以從集成了高性能模擬和ARM微控制器內(nèi)核的器件受益，包括溫度檢測(cè)、壓力檢測(cè)、氣體檢測(cè)、太陽(yáng)能逆變器、電機(jī)控制、醫(yī)療生命體征監(jiān)護(hù)、汽車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)以及水表/電表/

氣表。本文將考察兩個(gè)具體的應(yīng)用領(lǐng)域，其中，優(yōu)化高性能模擬與ARM微控制器內(nèi)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(shì)：

1.太陽(yáng)能光伏（PV）系統(tǒng)專(zhuān)用逆變器，其目標(biāo)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(jī)控制，其目標(biāo)是提高效率以促進(jìn)環(huán)保事業(yè)，以及降低成本。請(qǐng)注意，盡管這些智能集成混合信號(hào)器件是針對(duì)具體的最終應(yīng)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(biāo)應(yīng)用的關(guān)聯(lián)應(yīng)用。

太陽(yáng)能光伏逆變器：降低成本以擴(kuò)大應(yīng)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(tǒng)的年增長(zhǎng)率超過(guò)50%，但其在全球電力總裝機(jī)量中所占比重仍然很小。盡管在某些地區(qū)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電已實(shí)現(xiàn)與化石燃料發(fā)電的平價(jià)，但在多數(shù)地區(qū)，這一目標(biāo)尚未實(shí)現(xiàn)，而這種平價(jià)又多取決于政府補(bǔ)貼。

為了提高與傳統(tǒng)能源（如天然氣、煤、石油）的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，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(tǒng)BOM成本。一方面，太陽(yáng)能面板的成本和效率朝著正確的方向發(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(jí)/5級(jí)/多級(jí)、高頻開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(jí)太陽(yáng)能光伏逆變器系統(tǒng)。來(lái)自面板的電能，本質(zhì)上為直流源，被轉(zhuǎn)換成交流電，以饋入電網(wǎng)。第一級(jí)為DC-DC轉(zhuǎn)換，將電平升高，以使其兼容電網(wǎng)峰值電壓。第二級(jí)為DC-AC

轉(zhuǎn)換。紅線所標(biāo)區(qū)域所示為低電壓控制元件，當(dāng)與單混合信號(hào)控制處理器相結(jié)合時(shí)，可產(chǎn)生系統(tǒng)級(jí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的效率，由此實(shí)現(xiàn)節(jié)省成本的目標(biāo)。結(jié)果降低了單位kW的裝機(jī)成本。由于可以使用較小電感，因此還可以通過(guò)新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)節(jié)省成本。這既有利于節(jié)省BOM成本，同時(shí)還可減小逆變器的尺寸。

圖2.二級(jí)太陽(yáng)能光伏逆變器系統(tǒng)功能框圖；紅色區(qū)域所示為智能集成模塊