模数片上集成在低耗中起着日益重要的角色

混合信号芯片设计需要将模拟和数字技术集成到单颗芯片上，而这从来都不是一项简单的工作。以前，模拟和数字技术团队各自独立从事自己的设计，而把所有功能集成到单颗芯片上这项不受重视的工作，却被交给布局和布线团队。微控制器设计，包含所有精心设计的外设，都会进行布线连接，另外还有完成设计所需的振荡器、模数转换器和收发器的模拟器件。第一次真正设计测试是在实验室测试工作台上采用第一颗芯片进行的，这个过程存在潜在风险，在能够投入量产之前，不可避免地导致一次或多次对Metal Layer进行修正。 值得庆幸的是，随着EDA设计工具的不断进步，凭借其先进的集成的混合信号分析功能，我们更容易发现在数字外设与模拟模块混合时可能出现的问题。 因此，由于错误导致的风险和潜在成本也随之显著降低，这使得带有各种外设和功能的芯片器件的开发非常符合垂直市场需求，吸引力也显著增加。

推动这种深度集成的另一个因素是市场对应用和电器提出了前所未有的高能效级别要求。 在欧盟国家，92/75/EC能源标签指令提高了消费者的能源消耗意识，同时也提供了对各种能源需求简单易懂的比较，包括各种家用电器、空调、照明设备、汽车的能源需求。 美国也针对本国出产的产品执行“能源之星”标准的类似计划。计算机电源可以进行80 Plus标准自愿认证，最高级别的钛金认证提出了一些非常苛刻的能效级别要求，还要求达到高于0.9的功率因数。由于人们对能耗的高度关注，白色家电制造商非常谨慎地选择他们所使用的微控制器产品。以前谁会想到电冰箱设计会要求采用具有低功耗休眠模式和半智能自主外设模块的微控制器，以帮助达到A+++能源标签级别。

这一切都意味着传统电路设计方法(使用纯模拟或混合信号器件，或外部处理器)已经无法再应对这些挑战，也不再是用户的首选方法。为了进一步降低设计导致的能源损失，必须将处理器集成到系统中，采用半智能和/或半自主外设模块，以便能够根据应用的最精确测量信息，进行正确的控制选择。32位ARM Cortex-M0处理器非常适合为此类系统提供必需的处理智能。它具有12,000个逻辑门，与占用更多面积的相邻模拟模块相比，所需的芯片面积可以忽略不计(图1)。因此，在设计中增加这样一个智能区域，其成本微乎其微，同时还为最终用户增加可观的价值，让他们能够开发具有更高价值定位的产品。该处理器的最低功耗仅为16μW/MHz(90LP工艺)，具有单周期32x32乘法器选项，Cortex-M0内核在提供出色的系统级功效和功耗比方面具有很大优势。

图1

ADI公司的ADSP-CM40X系列器件展示了处理内核和半自主外设的巧妙集成(图2)。例如，为了进行PMSM电机控制，这些混合信号控制处理器采用了双16位模数转换器，具有14位精度。这样可为精确测量进入电机的电流提供一个很好的起点。但仅有精确测试还是不够的，测试时间对于我们确保精确了解要控制的电机的状态也同样重要。首先，双模数转换器可确保两个测试是同时进行的，从而提高控制回路精度，实现性能增强。除此之外，模数转换器还与PWM模块同步，确保采样在零向量的中间点发生，提供有效抑制开关波纹的瞬时平均电流。片上Cortex-M4处理器具有浮点功能，可以利用这些精确信息来实现复杂控制算法，从而实现对电机的高能效控制。

图2

英飞凌的XMC4000系列MCU也是一个例子(图3)。他们的器件面向太阳能逆变器、SMPS、UPS和电机控制等应用，带有CAPCOM捕捉和比较单元、12位模数转换器、Delta Sigma解调器和PWM模块。如果是隔离的，这些模块不会有任何特殊意义，但在与集成的“连接矩阵”相结合时，这些模块能够半自主地执行很多控制和测量任务，从而为具有DSP扩展的ARM Cortex-M4内核(在CMSIS DSP库的支持下)提供信息和实现高能效解决方案的机会。

图3

另外一个例子则是Dialog Semiconductor。作为ARM Cortex-M0处理器的新授权厂商，Dialog Semiconductor计划进一步扩展PMIC和电池管理器件系列，提供集成处理能力。

随着物联网吸引越来越多的关注以及技术的发展，它已经日益成为现实，有望为我们提升能效带来更多机会。一方面，物联网将使消费者更加重视电器的能耗，与智能手机和平板电脑应用共享能耗信息。另一方面，电器、电源和电机控制系统实现了相互通信的能力，不仅可能实现单个设备级别上的节能，还能实现很多设备组成的整体系统的全面节能。集成处理器是实现这种愿景的必需要素。有一点我们可以肯定：市场对精心设计的混合信号芯片器件的需求将继续增长，同时也需要功能强大的高能效处理内核作为补充，提供更多能耗优势。