模拟与数字的智能集成解决棘手的嵌入式系统问题

本文引用地址：鉴于在性能、成本、功耗、尺寸、新功能和效率等方面宏大的提升目标，未来嵌入式系统的设计面临着复杂的挑战。不过，一种有望解决这些复杂问题的设计选项已开始崭露头角——即模拟元件与ARM微控制器内核的智能集成。这种方案与传统模拟集成的区别在于，新方案具有超高的性能，还经过了多种优化，以解决具体的系统级问题。虽然每个市场对这些提升领域的优选次序都有着自己的认识，但同时满足多个因素的要求实为众望所归，可以通过集成多个分立式元件来实现。从逻辑上讲，组合多个器件可以实现这些嵌入式系统目标中的一大部分，但只是简单地把多个分立式元件与一枚处理器集成到一个封装之中，这并非答案所在；解决方案要复杂得多，需要智能集成。模拟与数字的智能集成高性能模拟元件（放大器、ADC、DAC、基准电压源、温度传感器、无线收发器等）与ARM 32位处理器内核的智能集成，再加上正确的数字外设，这种方式可以实现分立式解决方案无法望尘莫及的目标。为了构造出最佳混合信号控制处理器，不但需要对整个系统有着深入的了解，需要知晓是否有正确的知识产权（IP）可用，同时还具备有关该知识产权的专业知识。毫无疑问，负责为这些集成器件制定功能要求的芯片设计师和系统工程师必须对最终应用需求有着充分的了解。这种领域知识至关重要，包括对电路板级要求的深入了解，包括尺寸、温度范围、制造考虑因素、功耗、成本和信号链中的配套元件。图1所示为智能集成器件中经常用到的模拟和数据IP模块。

图1.智能集成：针对目标应用而优化的模数组合式IP

有正确的知识产权可用，这是实现系统级目标的有力起点。这个起点是缩短混合信号控制处理器开发周期的必要条件。越来越多地，适用于具体应用的知识产权本身的获取/形成和实施需要由半导体制造商来协调。在此基础上，还需要对这些知识产权进行调整以满足两点具体要求。第一点是基于主要目标应用的需求优化性能和运行，由此实现系统级效益的最大化。第二点是优化知识产权，使其与混合信号控制处理器中的其他补充性知识产权模块良好、方便兼容。最后，在业务层需要有协调机会，将系统制造商与半导体制造商的专长和知识有机地结合起来，从而实现独特的优化设计。混合信号控制处理器应用有许多应用都可以从集成了高性能模拟和ARM微控制器内核的器件受益，包括温度检测、压力检测、气体检测、太阳能逆变器、电机控制、医疗生命体征监护、汽车监控系统以及水表/电表/气表。本文将考察两个具体的应用领域，其中，优化高性能模拟与ARM微控制器内核的集成可在成本、功耗、尺寸和性能四个方面带来极大的优势：1.太阳能光伏（PV）系统专用逆变器，其目标是提高效率，降低物料（BOM）成本，集成智能以支持与智能电网的连接。2.电机控制，其目标是提高效率以促进环保事业，以及降低成本。请注意，尽管这些智能集成混合信号器件是针对具体的最终应用而优化的，但它们也可以很好地用于功能要求类似于主要目标应用的关联应用。太阳能光伏逆变器：降低成本以扩大应用范围，集成智能以支持智能电网在过去5年中，尽管太阳能光伏发电系统的年增长率超过50%，但其在全球电力总装机量中所占比重仍然很小。尽管在某些地区，太阳能光伏发电已实现与化石燃料发电的平价，但在多数地区，这一目标尚未实现，而这种平价又多取决于政府补贴。为了提高与传统能源（如天然气、煤、石油）的竞争优势，太阳能光伏发电降低成本的最佳方式是既提高效率，又降低系统BOM成本。一方面，太阳能面板的成本和效率朝着正确的方向发展，另一方面，新技术也为太阳能光伏逆变器的进步提供了保障——这是太阳能面板发电与电网之间的接口。这些新技术包括NPC 3级/5级/多级、高频开关拓扑结构，采用基于碳化硅（SiC）和亚硝酸镓（GaN）材料的快速功率晶体管。图2所示为一种二级太阳能光伏逆变器系统。来自面板的电能，本质上为直流源，被转换成交流电，以馈入电网。第一级为DC-DC转换，将电平升高，以使其兼容电网峰值电压。第二级为DC-AC转换。红线所标区域所示为低电压控制元件，当与单混合信号控制处理器相结合时，可产生系统级效益。通过将多个元件集成到单个器件之中，通过提高新高速开关拓扑结构的效率，由此实现节省成本的目标。结果降低了单位kW的装机成本。由于可以使用较小电感，因此还可以通过新型拓扑结构来节省成本。这既有利于节省BOM成本，同时还可减小逆变器的尺寸。

图2.二级太阳能光伏逆变器系统功能框图；红色区域所示为智能集成模块

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