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混合信號處理器行情看俏。整合安謀國際(ARM)架構32位元核心與高效能模擬元件及數字周邊的混合信號處理器，可針對不同目標應用需求，調整各項參數設定，以達到最佳的效能表現，并降低整體物料清單(BOM)成本，因而日益受到嵌入式系統開發商青睞。 未來的嵌入式系統在設計上將面臨復雜的挑戰，因為嵌入式系統對于性能、成本、功率、尺寸、新功能以及效率等方面的改善都具有嚴苛的要求。然而，有一種新興的設計選項能夠因應這些復雜的難題--將模擬元件巧妙地整合到安謀國際(ARM)微控制器(MCU)核心當中。這種方法與傳統模擬整合方案的差別，在于它能提供高水準效能，以及可用來解決特定的系統級問題。雖然每個市場對于須要改善的方面都有其自己的先后順序，但是同時滿足多項因素仍然是受到高度期待的，而且可以藉由數個分離式元件的整合來加以實現。依邏輯來說，將零件加以結合可以達成許多前述的嵌入式系統目標，但是單純的只是將數個分離式元件與一個處理器放入一個封裝當中，此絕非最佳答案；解決方案遠比這樣復雜多了，我們還須要智能型整合。 開發混合信號處理器 須克服模擬/數字元件IP整合難題 放大器、模擬數字轉換器(ADC)、數字模擬轉換器(DAC)、電壓參考器、溫度傳感器、無線收發器等高性能模擬元件，與來自ARM的32位元處理器核心，加上適當的數字周邊所形成的智能型整合，能夠達成分離式解決方案所無法實現的目標。 為了開發出最佳化的混合式信號控制處理器，晶片設計公司必須具備總體系統的廣泛知識、適當的硅知識產權(IP)，以及這些IP相關的專業技術。無庸置疑地，為這些整合式元件設定特性的晶片設計者與系統工程師必須要對于終端應用的需求具有相當程度的了解。 這種領域知識相當的重要，而且還包含了對于電路板等級需求--包含外型尺寸、溫度范圍、生產方面的注意事項、功率消耗、成本以及在信號鏈中搭配的元件等需求須扎實了解。圖1所示為經常被使用于元件當中進行智能型整合的模擬與數字IP區塊。 
圖1 智能型整合系針對目標應用領域將模擬與數字IP加以結合與最佳化。 適當IP的取得能夠為實現系統層級的目標提供一個強而有力的起點。這個起點必須要用來縮短混合信號控制處理器的開發時程。逐漸的，IP本身的搜集/創造以及執行，會越來越須要由半導體生產廠商去推動。接著此項IP必須要加以修改，以便符合兩項特殊的需求，第一項是依據主要目標應用領域的需求將性能與運作最佳化，進而使得系統級的優點最大化；其次是將IP最佳化成能夠非常輕易地與混合信號控制處理器中其他搭配的IP區塊協同工作。 最后，還須有企業層次的合作機會，將系統生產廠商與半導體制造廠商的專業技術與知識加以結合，才能夠產生出一個最佳化而且獨一無二的設計。 高效率/低耗能/小尺寸優勢顯 混合信號控制處理器應用層面廣 有許多的應用領域能夠獲益于整合了高性能模擬與ARM微控制器核心的元件，其中包括了溫度感測、壓力感測、瓦斯偵測、太陽能變頻器、馬達控制、醫療照護生命征象監視、汽車監測系統，以及瓦斯/水/電力計量表等。 本文將會專注在因為將最佳化的高性能模擬與ARM微控制器核心加以整合，進而在成本、功率、尺寸與性能等方面獲得顯著利益的兩種應用領域。其一為以提高效率、降低物料成本及支援智能型電網連結的智能整合為目標的太陽能光電(PV)系統逆變器；另一個則是針對環境效益與降低成本為目標而改善效率的馬達控制。 值得注意的是，雖然這些經過智能型整合的混合信號元件，都已經針對特定終端應用領域而予以最佳化，但是它們依然可以在許多具有與主要目標應用領域相類似功能需求的相似應用領域中，良好的運作。 [@B]．應用實例一：太陽能光電逆變器[@C] ．應用實例一：太陽能光電逆變器 雖然太陽能PV電力生成系統在過去5年內的年成長率已經超過了50%，但是它們仍然只占了全球發電總量當中非常少的百分比。即使在某些地區里的太陽能PV發電已經達到了與燃油發電的成本平價(Cost Parity)，但是大部分地區仍然尚未實現，而且通常這種平價是仰賴政府的補助達成的。 若想要在與傳統能源像是天然瓦斯、煤及石油的競爭上占有優勢，太陽能PV發電的成本必須藉由效率的提升與物料成本的降低來加以實現。隨著面板的成本與效率朝著正確的方向發展，新的技術也會為太陽能PV轉換器帶來進步--在太陽能面板所生成之電力與電網間的介面。這些新的技術包括有NPC3級/5級/多級、高頻率切換拓撲、利用以碳化硅(SiC)與氮化鎵(GaN)材料為基礎的快速功率電晶體。 圖2所示為一組兩級的太陽能PV轉換器系統。來自于面板的電力(基本上為DC來源)被轉換成AC后就可以饋入電網當中。第一級是直流對直流(DC-DC)的轉換，將電壓位準提高使其與電網中的峰值電壓相容。第二級是直流對交流(DC-AC)的轉換。框起來的區域所代表的是做為控制之用的低電壓元件，當其結合至單一混合信號控制處理器當中時，會以系統層級提供其優點。成本的節省是透過將多重元件整合至單一元件當中，以及改善新的高速切換拓撲的效率來實現。獲得的結果就是更低價的每仟瓦(kW)安裝成本。假如使用更小的電感器，那么新拓撲還能夠更進一步地節省總體物料成本，并且縮小逆變器的尺寸。
圖2 兩級太陽能PV轉換器系統的方塊圖，框起來的區域代表鎖定智能型整合的區塊。 高速連續近似暫存器(SAR)ADC非常適用于這種應用領域，因為它們能夠提供適當的精確度位準(13ENOB)、快速的轉換速度以便支援更高的頻率控制回路，以及支援多重輸入通道與低延遲(<1微秒(μs))的多工傳輸能力。這個系統具有兩組ADC做為對GRID上電流與電壓的同步取樣；此外也需要大量進入ADC的輸入通道，以便監測系統中的多點--在部分應用中會出現高達二十四個模擬通道。以緩沖方式進行的特殊多工傳輸被設計出來并且與ADC連結，藉以支援此項需求。 為了支援多級轉換與高速控制回路，必須要選擇具有正確架構性能與高速運作能力的處理器。在這個案例當中，專為在溫度范圍內超過200MHz運作所設計的ARM Cortex-M4核心將能夠符合所需。 圖2中所示的SINC濾波器被用來與隔離ADC連結。這使得電網上的AC電流與DC電流注入能夠加以量測，目的是為了避免變壓器的飽和。傳統的方法是采用一組霍爾效應(Hall Effect)電流傳感器，但是相較于隔離ADC而言是很昂貴的。這是假定SINC濾波器被整合至混合信號控制處理器當中，以避免在物料清單中額外出現可編程邏輯晶片。隔離ADC-SINC濾波器的結合也能夠提供額外的優點，藉以改善在霍爾效應傳感器上的線性度，這將可以使諧波失真降低。 隨著電網變得越來越聰明，太陽能PV逆變器將須要有更多的智慧來協助處理電網的失調。有時候會發生獲得多處來源的過多電力，因而超出需求的情況。為了這個原因，PV系統必須要有一項機制能夠專注在電網的整合上，每個對于電網的貢獻者都必須合作以便穩定供電。 電網整合須對送入電網的能源品質有更好的量測、控制與分析。諧波分析引擎是為了監測注入電網的電力品質而特別設計的，其有助于因應這項需求。以許多的變數包括了諧波失真、電力、電壓有效值(RMS Voltage)、電流有效值、無功伏安(VAR)、伏安(VA)，以及功率因數等進行計算，電力的品質也就能夠加以監測。一個專門用來執行這些計算的引擎能夠提供非常高的精確度，并且讓ARM Cortex-M4核心不須要擔負運行這項任務的責任。 太陽能逆變器使用針對此項終端應用領域而謹慎設計的混合信號控制處理器，因而能夠顯著地獲得系統層級的優點。對于市場趨勢的了解以及扎實的系統知識，能夠產生出以低晶片數量支援次世代拓撲的智能型整合晶片，而且同時也加入了支援連結智能型電網的特點。 ．應用實例二：節能馬達控制 除了以環境問題考量能源是如何產生之外，同時也應該思考如何有效率的使用能源。假設馬達占了全世界用電的40%，那么隨之而起的問題就是這些系統要如何更節能。答案就是讓它們更具有效率，如此就會使用較少的能源。廣泛使用更具效能的馬達，能夠節省龐大數量的能源：節省數千億仟瓦小時(kWh)的電力以及每年減少數百萬噸排放至大氣中的二氧化碳。較具效率的馬達所帶來的影響是顯而易見的。 更具效率馬達的使用有兩項特定的關鍵性誘因。第一項推動力就是基于對環境考量而做的政府立法。歐盟對于更具效率馬達系統的使用，有提出適當的規范，而且未來還會有更多。另一項關鍵的推動力則是終身成本的優點。馬達控制系統的成本大約有15%是物料，85%是使用于作業上的能源。因此具有更高效率馬達系統，在產品壽命成本的降低上有相當大的潛力。 更高的效率可以透過特殊的馬達設計、馬達類型的挑選，替沒有這類型控制的系統增加可調速驅動器(ASD)，以及利用演算法使效率最佳化來加以實現。就特殊的馬達設計與挑選特殊的馬達類型來說，永磁馬達已經成為注目焦點，而使用率也在上升中。永磁馬達的效率可以高達96%，遠超過歐洲的優質效率標準(IE3)。 經過智能型整合的混合信號控制處理器，可進一步優化調速驅動馬達與控制演算法的操作。將以ARM為基礎的中央處理器(CPU)次系統、脈沖寬度調變(PWM)、ADC及多工傳輸，透過具有成本效益的方式整合，能夠為調速馬達帶來系統級物料成本的降低。 控制演算法能夠透過使用具有快速轉換時間的高精確ADC來加以改善，這將會為整個馬達系統帶來有效率的增益。具有超過12位元精確度的ADC，可以改善用以控制相位電流的精密度，但是取樣轉換延遲無法針對更高的精確度加以權衡。這將會消去ADC為了改善訊噪比(SNR)而進行平均或是超取樣的選項。變數必須要以終端機器正在移動的速率(例如：拾起與放置機器)進行量測。以快速ARM微控制器核心補足的快速轉換時間，讓控制回路能夠更快速的運作，進而獲得更好的響應與穩定時間。其次這將可以提高生產產品線系統的總處理能力與效率，進而降低生產成本。 就如同相對于太陽能PV應用領域一樣，SAR ADC對于馬達控制來說也是個良好的選擇。在馬達控制的情況下，高性能SAR ADC可以不須要為了符合需求而選擇平均或是超取樣即可進行設計。 圖3中的不同IP區塊是經過非常謹慎的設計，使它們可以非常良好的協同運作。所需要的結果是一個非常靈敏的儀器次系統，能夠搜集多重、精密排程的取樣，并且有效率的將它們傳送到ARM的主要記憶體當中。對于馬達控制器而言，相繞組電流與其他的量測都能夠在PWM周期中經過精密設定的點上進行同步取樣。接著經過取樣的資料就可以有效率的被移動(沒有間接消耗)到微控制器的記憶體當中進行處理。在混合信號控制處理器當中的五個不同區塊必須要協同運作，以便執行這項任務。
圖3 馬達控制系統方塊圖 以PWM脈沖開始的周期會被傳送至觸發路由單元(TRU)，此單元具有連結主要觸發器與從屬觸發器的職責。在這個情況當中，PWM是主要觸發器，而ADC控制器(ADCC)計時器則是從屬觸發器。ADCC必須要能夠管理大量的事件與使用計時器(TMR0/TMR1)，以便追蹤從PWM觸發器到起始一個特殊ADC事件需要多長的時間。利用計時器與一項特殊事件相匹配，對ADC輸入多工傳輸(M0 & M1)與通道進行挑選。接著轉換器起始信號會被傳送至ADC。取樣資料會被從ADC移動至ADCC，然后再從ADCC經由DMA移動到微控制器靜態隨機存取記憶體(SRAM)。圖4所展示的是PWM脈沖、PWM同步、以及由ADCC所控制的ADC事件之間的相對時序。
圖4 使用ADC五項不同馬達控制變數進行取樣的時序 適合PWM、TRU、多工傳輸、緩沖、SAR ADC、以及DMA的良好基本IP已經可以取得，并做為專用于馬達控制的混合信號控制處理器設計之用。然而，為了達成在PWM期間內ADC取樣的精密時序所需的協調位準，將這些區塊加以特定的設計修改是有其必要的。之所以需要ADCC區塊是因為其他的IP區塊要被整合至單晶片當中，而且須加以協調。ADCC是專為此一需求并可完整運用兩組ADC引擎(具有380奈秒(ns)快速轉換器時間)的高速度所設計。 先進的基礎技術只是起始點而已--晶片設計者必須具有對客戶系統的廣泛知識，以及在設計、應用，與精密模擬和數字元件的最佳化方面有深入的專業技術。 此外，晶片廠商必須愿意并且能夠直接地與系統生產廠商互動與合作，以開發出新的產品。最為適合的元件被挑選出來之后，就會針對目標終端應用領域進行最佳化，而IP區塊則會被加以修改，使其能夠良好的協同運作，接著只有經過最佳化的元件能夠加以整合。 來源：新電子 |
