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模擬與數(shù)字的智能集成解決棘手的嵌入式

閱讀:535        發(fā)布時間:2018-4-28

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),未來嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計面臨著復(fù)雜的挑戰(zhàn)。不過,一種有望解決這些復(fù)雜問題的設(shè)計選項已開始嶄露頭角——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)過了多種優(yōu)化,以解決具體的系統(tǒng)級問題。雖然每個市場對這些提升領(lǐng)域的優(yōu)選次序都有著自己的認(rèn)識,但同時滿足多個因素的要求實為眾望所歸,可以通過集成多個分立式元件來實現(xiàn)。從邏輯上講,組合多個器件可以實現(xiàn)這些嵌入式系統(tǒng)目標(biāo)中的一大部分,但只是簡單地把多個分立式元件與一枚處理器集成到一個封裝之中,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),這種方式可以實現(xiàn)分立式解決方案無法*的目標(biāo)。為了構(gòu)造出*混合信號控制處理器,不但需要對整個系統(tǒng)有著深入的了解,需要知曉是否有正確的知識產(chǎn)權(quán)(IP)可用,同時還具備有關(guān)該知識產(chǎn)權(quán)的專業(yè)知識。毫無疑問,負(fù)責(zé)為這些集成器件制定功能要求的芯片設(shè)計師和系統(tǒng)工程師必須對zui終應(yīng)用需求有著充分的了解。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(shù)據(jù)IP模塊。
智能集成:針對目標(biāo)應(yīng)用而優(yōu)化的模數(shù)組合式IP

有正確的知識產(chǎn)權(quán)可用,這是實現(xiàn)系統(tǒng)級目標(biāo)的有力起點(diǎn)。這個起點(diǎn)是縮短混合信號控制處理器開發(fā)周期的必要條件。越來越多地,適用于具體應(yīng)用的知識產(chǎn)權(quán)本身的獲取/形成和實施需要由半導(dǎo)體制造商來協(xié)調(diào)。在此基礎(chǔ)上,還需要對這些知識產(chǎn)權(quán)進(jìn)行調(diào)整以滿足兩點(diǎn)具體要求。*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,由此實現(xiàn)系統(tǒng)級效益的zui大化。第二點(diǎn)是優(yōu)化知識產(chǎn)權(quán),使其與混合信號控制處理器中的其他補(bǔ)充性知識產(chǎn)權(quán)模塊良好、方便兼容。 

zui后,在業(yè)務(wù)層需要有協(xié)調(diào)機(jī)會,將系統(tǒng)制造商與半導(dǎo)體制造商的專長和知識有機(jī)地結(jié)合起來,從而實現(xiàn)*的優(yōu)化設(shè)計。 

混合信號控制處理器應(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、壓力檢測、氣體檢測、太陽能逆變器、電機(jī)控制、醫(yī)療生命體征監(jiān)護(hù)、汽車監(jiān)控系統(tǒng)以及水表/電表/氣表。本文將考察兩個具體的應(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、尺寸和性能四個方面帶來極大的優(yōu)勢: 

1.太陽能光伏(PV)系統(tǒng)逆變器,其目標(biāo)是提率,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zui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似于主要目標(biāo)應(yīng)用的關(guān)聯(lián)應(yīng)用。 

太陽能光伏逆變器: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) 

在過去5年中,盡管太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的年增長率超過50%,但其在電力總裝機(jī)量中所占比重仍然很小。盡管在某些地區(qū),太陽能光伏發(fā)電已實現(xiàn)與化石燃料發(fā)電的平價,但在多數(shù)地區(qū),這一目標(biāo)尚未實現(xiàn),而這種平價又多取決于政府補(bǔ)貼。 

為了提高與傳統(tǒng)能源(如天然氣、煤、石油)的競爭優(yōu)勢,太陽能光伏發(fā)電降低成本的*方式是既提率,又降低系統(tǒng)BOM成本。一方面,太陽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)也為太陽能光伏逆變器的進(jìn)步提供了保障——這是太陽能面板發(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所示為一種二級太陽能光伏逆變器系統(tǒng)。來自面板的電能,本質(zhì)上為直流源,被轉(zhuǎn)換成交流電,以饋入電網(wǎng)。*級為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)與單混合信號控制處理器相結(jié)合時,可產(chǎn)生系統(tǒng)級效益。通過將多個元件集成到單個器件之中,通過提高新高速開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的效率,由此實現(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,因此還可以通過新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來節(jié)省成本。這既有利于節(jié)省BOM成本,同時還可減小逆變器的尺寸。

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