明天嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計帶來了復(fù)雜的挑戰(zhàn),因為在性能,成本,功耗,尺寸,新功能和效率方面都有進(jìn)步的積極目標(biāo)。然而,有一種新興的設(shè)計方案可以解決這些復(fù)雜問題 - 模擬組件與ARM ?微控制器內(nèi)核智能集成。這種與傳統(tǒng)模擬集成的區(qū)別在于現(xiàn)在提供的高性能以及為解決特定系統(tǒng)級問題而進(jìn)行的優(yōu)化。雖然每個市場都會對這些領(lǐng)域的訂單排名進(jìn)行改進(jìn),但同時滿足多個因素是非常需要的,并且可以來自眾多分立組件的集成。從邏輯上講,組合部件可以解決許多嵌入式系統(tǒng)目標(biāo),但只需將幾個分立元件和一個處理器放在一個封裝中就不是答案;解決方案要復(fù)雜得多,需要智能集成。
模擬和數(shù)字智能集成
高性能模擬組件(放大器,ADC,DAC,電壓基準(zhǔn),溫度傳感器)的智能集成,無線收發(fā)器等)和ARM的32位處理器內(nèi)核以及合適的數(shù)字外設(shè)可以解決分立解決方案無法實現(xiàn)的目標(biāo)。為了創(chuàng)建最佳的混合信號控制處理器,需要具備對整個系統(tǒng)的深入了解以及正確知識產(chǎn)權(quán)(IP)的可用性以及該知識產(chǎn)權(quán)的專業(yè)知識。毋庸置疑,指定這些集成器件功能的芯片設(shè)計人員和系統(tǒng)工程師必須非常了解最終的應(yīng)用要求。該領(lǐng)域知識至關(guān)重要,包括對板級要求的充分理解,例如外形尺寸,溫度范圍,制造考慮因素,功耗,成本以及信號鏈中的互補(bǔ)元件。圖1顯示了智能集成設(shè)備中經(jīng)常使用的模擬和數(shù)字IP模塊。
正確IP的可用性為滿足系統(tǒng)級目標(biāo)提供了強(qiáng)大的起點。需要這個起點以保持混合信號控制處理器的開發(fā)周期短。越來越多的半導(dǎo)體制造商需要促進(jìn)適合應(yīng)用的IP本身的獲取/創(chuàng)建和實施。然后需要修改該IP以滿足兩個要求。第一個是通過根據(jù)主要目標(biāo)應(yīng)用程序的需求優(yōu)化性能和操作來最大化系統(tǒng)級優(yōu)勢。接下來是優(yōu)化IP,以便與混合信號控制處理器中的其他互補(bǔ)IP模塊一起非常好地工作。
最后,需要有業(yè)務(wù)層面的合作機(jī)會,結(jié)合系統(tǒng)制造商和半導(dǎo)體制造商的專業(yè)知識和知識,并產(chǎn)生優(yōu)化的獨(dú)特設(shè)計。
混合 - 信號控制處理器應(yīng)用
有許多應(yīng)用可以從集成高性能模擬和ARM微控制器內(nèi)核的設(shè)備中受益,包括溫度傳感,壓力傳感,氣體檢測,太陽能逆變器,電機(jī)控制,醫(yī)療保健生命體征監(jiān)控,汽車監(jiān)控系統(tǒng)和燃?xì)?水/電表。本文將介紹兩個應(yīng)用領(lǐng)域,其中優(yōu)化的高性能模擬和ARM微控制器內(nèi)核的集成可帶來成本,功耗,尺寸和性能方面的顯著優(yōu)勢:
太陽能光伏(PV)逆變器系統(tǒng)的目標(biāo)是提高效率,降低物料清單(BOM)成本,并整合智能以支持與智能電網(wǎng)的接口。
電機(jī)控制,旨在提高環(huán)境效益和降低成本的效率。
請注意,雖然這些智能集成的混合信號設(shè)備針對特定的終端應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化,但它們也可以很好地用于與主要目標(biāo)應(yīng)用具有類似功能要求的眾多相鄰應(yīng)用。
太陽能光伏逆變器:降低智能電網(wǎng)的廣泛使用和智能成本
雖然太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在過去五年的年增長率超過50%,但它們?nèi)灾徽颊既蚩偘l(fā)電量的很小一部分。雖然在一些地區(qū),太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)達(dá)到與化石燃料發(fā)電成本相當(dāng)?shù)乃?,但在大多?shù)地區(qū),它并沒有,而且通常這種平價依賴于政府補(bǔ)貼。
為了更好地與傳統(tǒng)能源競爭,如天然氣,煤炭和石油,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)。隨著面板本身的成本和效率朝著正確的方向發(fā)展,新技術(shù)也有望推動太陽能光伏逆變器的發(fā)展 - 太陽能電池板產(chǎn)生的電力與電網(wǎng)之間的界面。這些新技術(shù)包括NPC 3級/ 5級/多級,高頻開關(guān)拓?fù)?,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顯示了兩個階段太陽能光伏逆變系統(tǒng)。來自面板的電源(基本上是直流電源)被轉(zhuǎn)換為交流電,因此可以將其饋送到電網(wǎng)。第一級是DC-DC轉(zhuǎn)換,可提高電壓電平,使其與電網(wǎng)上的峰值電壓兼容。第二階段是直流到交流轉(zhuǎn)換。紅色部分顯示了用于控制的低壓元件,當(dāng)它們組合成一個混合信號控制處理器時,可以在系統(tǒng)級別上獲益。通過將多個組件集成到單個設(shè)備中以及通過提高新的高速開關(guān)拓?fù)涞男蕘砉?jié)省成本。結(jié)果是降低了每千瓦的安裝成本。考慮到可以使用更小的電感器,新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可以節(jié)省成本。這樣可以節(jié)省BOM成本,并且還可以減小逆變器的尺寸。
高速逐次逼近寄存器(SAR)ADC非常適合這種應(yīng)用,因為它們提供了正確的精度(13 ENOB),快速的轉(zhuǎn)換速度以支持更高頻率的控制環(huán)路,支持能力多輸入通道的多路復(fù)用和低延遲(<1μS)。該系統(tǒng)有兩個ADC,用于同時對電網(wǎng)上的電流和電壓進(jìn)行采樣。需要大量的ADC輸入通道來監(jiān)控系統(tǒng)中的多個點 - 在某些情況下最多可監(jiān)控24個模擬通道。設(shè)計了與緩沖相關(guān)的特殊復(fù)用,并與ADC連接以支持這一要求。
為了支持多級轉(zhuǎn)換和高速控制環(huán)路,具有正確架構(gòu)性能和功能的處理器內(nèi)核需要選擇高速運(yùn)行。在這種情況下,ARM Cortex ? -M4設(shè)計用于在整個溫度范圍內(nèi)運(yùn)行超過200MHz,將滿足需求。
sinc濾波器,如圖2所示,用于與隔離ADC組合。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)的方法是使用霍爾效應(yīng)電流傳感器,但與隔離ADC相比,這是昂貴的。這假設(shè)sinc濾波器集成在混合信號控制處理器中,以可編程邏輯的形式避免了BOM中的額外芯片。 ADC sinc濾波器組合的隔離還提供了一個額外的好處,即改善了霍爾效應(yīng)傳感器的線性度,從而減少了諧波失真。
隨著電網(wǎng)變得越來越智能,太陽能光伏逆變器將需要更多智能來幫助解決電網(wǎng)不平衡問題。也就是說,可以從多個源獲得比所需更多的功率。出于這個原因,人們關(guān)注光伏系統(tǒng)智能,著眼于電網(wǎng)整合,電網(wǎng)的每個貢獻(xiàn)者必須合作以穩(wěn)定電網(wǎng)。電網(wǎng)整合需要更好地測量,控制和分析饋送到電網(wǎng)的能量質(zhì)量。專門用于監(jiān)控注入電網(wǎng)的功率質(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)控功率質(zhì)量。執(zhí)行這些計算的專用引擎可以在卸載ARM Cortex-M4內(nèi)核時執(zhí)行此任務(wù),從而提供非常高的精度。
太陽能逆變器可以通過混合信號控制在系統(tǒng)級別上獲益匪淺考慮到此最終應(yīng)用程序而設(shè)計的處理器。了解市場趨勢和可靠的系統(tǒng)知識可以使智能集成芯片能夠支持具有低芯片數(shù)量的下一代拓?fù)?,同時還增加了支持與智能電網(wǎng)接口的功能。
電機(jī)控制:提高效率為了更好的環(huán)境和終身成本節(jié)約
除了關(guān)于如何產(chǎn)生能量的環(huán)境問題之外,還有人擔(dān)心能源的使用效率如何。鑒于電機(jī)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,因此使用的能量更少。廣泛使用更高效電機(jī)的節(jié)省大量測量:數(shù)千億小時的電力節(jié)省和數(shù)百萬的CO 2 釋放到大氣中每年噸。更高效電機(jī)的影響顯然非常顯著。
具體而言,使用更高效的電機(jī)有幾個關(guān)鍵驅(qū)動因素。一個推動力是由環(huán)境問題驅(qū)動的政府立法。歐盟制定了相關(guān)法規(guī),未來還有更多法規(guī)要求使用更高效的電機(jī)系統(tǒng)。另一個關(guān)鍵驅(qū)動因素是終身成本優(yōu)勢電機(jī)控制系統(tǒng)成本的近似值為材料的15%和基于操作所用能量的85%。因此,具有更高效率的電機(jī)系統(tǒng)壽命成本降低的潛力巨大。
通過特殊電機(jī)設(shè)計,電機(jī)類型選擇,可調(diào)速驅(qū)動器(ASD)的增加,可以實現(xiàn)更高的效率對于沒有這種控制的系統(tǒng),以及優(yōu)化效率的控制算法。在特殊電機(jī)設(shè)計和特定類型電機(jī)的選擇方面,永磁電機(jī)一直是人們關(guān)注的焦點,并且使用量一直在增加。永磁電機(jī)的效率可高達(dá)96%,超過歐洲的高效率標(biāo)準(zhǔn)(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(jìn)?;贏RM的CPU子系統(tǒng),PWM,ADC和多路復(fù)用的經(jīng)濟(jì)高效的集成轉(zhuǎn)換為ASD的系統(tǒng)級BOM減少。
通過使用具有快速轉(zhuǎn)換時間的高精度ADC,可以改善控制算法。這導(dǎo)致整個電動機(jī)系統(tǒng)的效率提高。精度高于12位的ADC可提高控制相電流的精度。但是,樣本轉(zhuǎn)換延遲無法以更高的準(zhǔn)確度進(jìn)行折衷。這消除了平均或過采樣的ADC選項,以提高SNR。變量需要以終端機(jī)器移動的速率進(jìn)行測量(例如,拾取和放置機(jī)器)??焖俎D(zhuǎn)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(yùn)行速度更快,從而實現(xiàn)更好的響應(yīng)和建立時間。反過來,這可以提高制造生產(chǎn)線系統(tǒng)的產(chǎn)量和效率,從而降低生產(chǎn)成本。
與太陽能光伏應(yīng)用一樣,SAR ADC是電機(jī)控制的理想選擇。在電機(jī)控制情況下,可以設(shè)計高性能SAR ADC掃描,無需進(jìn)行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(shè)計,可以很好地協(xié)同工作。期望的結(jié)果是一個非常靈活的儀器子系統(tǒng),可以獲取多個精確調(diào)度的樣本并將它們有效地傳送到ARM的主存儲器。對于電機(jī)控制,可以在PWM周期中的精確指定點同步采樣相繞組電流和其他測量。然后,可以將沒有開銷的采樣數(shù)據(jù)有效地移動到微控制器的存儲器進(jìn)行處理?;旌闲盘柨刂铺幚砥髦械奈鍌€不同模塊需要協(xié)同工作才能完成這項任務(wù)。
循環(huán)從發(fā)送到觸發(fā)路由單元(TRU)的PWM脈沖開始,該脈沖單元的作用是將觸發(fā)器主控器連接到觸發(fā)從器件。在這種情況下,PWM是觸發(fā)主機(jī),ADC控制器(ADCC)定時器是觸發(fā)從機(jī)。 ADCC需要能夠管理大量事件并使用定時器(TMR0 / TMR1)來跟蹤PWM觸發(fā)器啟動特定ADC事件的時間。通過與特定事件匹配的定時器,可選擇ADC輸入多路復(fù)用(M0和M1)和通道(ADC0和ADC1)。轉(zhuǎn)換開始信號隨后被發(fā)送到ADC。采樣數(shù)據(jù)從ADC移至ADCC,然后通過DMA從ADCC移至微控制器SRAM。
下面的圖4顯示了由ADCC控制的PWM脈沖,PWM同步和ADC事件之間的相對時序。
良好的基本IP起始點可用于PWM,TRU,多路復(fù)用,緩沖,SAR ADC和DMA,用于設(shè)計針對電機(jī)控制的混合信號控制處理器。然而,為了實現(xiàn)PWM周期內(nèi)ADC采樣的精確定時所需的協(xié)調(diào)水平,這些塊的特定設(shè)計修改是必要的。對ADCC模塊的需求是基于其他IP模塊集成到單個芯片中并需要協(xié)調(diào)的事實。 ADCC專為滿足此要求而設(shè)計,并充分利用兩個ADC轉(zhuǎn)換器的高速轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換時間為380 ns。
結(jié)論
先進(jìn)的基礎(chǔ)技術(shù)只是起點 - 芯片設(shè)計人員必須具備廣泛的客戶系統(tǒng)知識,并在精密模擬和數(shù)字組件的設(shè)計,應(yīng)用和優(yōu)化方面擁有深厚的專業(yè)知識。此外,硅制造商必須愿意并能夠與系統(tǒng)制造商直接互動和協(xié)作以創(chuàng)建新產(chǎn)品。選擇最合適的組件,對目標(biāo)最終應(yīng)用程序進(jìn)行優(yōu)化,并修改IP塊以便一起工作。只有這樣才能集成優(yōu)化的部件。這些智能集成產(chǎn)品的例子可以在ADI公司找到,包括ADuCM360,一個完全集成的3.9 kSPS,24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),以及集成雙高精度的ADSP-CM403F和ADSP-CM408F混合信號控制處理器16位ADC和ARM Cortex-M4處理器內(nèi)核。欲了解更多信息,請訪問www.analog.com。
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