節能呼聲震天價響　低功耗處理核心炙手可熱

混合訊號晶片設計須要將類比和數位技術整合到系統單晶片(SoC)上，而這從來都不是一項簡單的工作。以前，類比和數位技術團隊各自獨立從事自己的設計，而把所有功能整合到單顆晶片上這項不受重視的工作，卻被交付給布局配置和繞線團隊。

在進行微控制器(MCU)及其周邊電路的布線時，通常會保留類比電路所需的空間給振盪器、類比數位轉換器(ADC)、收發器來完成整體設計。第一次真正設計測試是在實驗室測試工作台上採用第一顆晶片時進行，這個過程存在潛在的風險，在能夠投入量產之前，不可避免地會產生一次或多次的金屬修正。

值得慶幸的是，隨著電子設計自動化(EDA)設計工具的不斷進步，透過電子設計自動化成熟且具備整合性的混合訊號分析功能，更容易發現在數位周邊與類比模組混合時可能出現的問題。因此，因為錯誤導致的風險和潛在成本也可以隨之顯著降低，這使得帶有各種周邊和功能的晶片開發非常符合行業市場需求，吸引力也顯著增加。推動這種高度整合的另一個因素，是市場對應用和設備提出前所未有的高效能要求。

節能意識高漲　白色家電首重節能設計

表1　能源之星標準對電腦產品電源管理的規範

在歐盟國家，92/75/EC能源標示指令提高了消費者對於能源消耗的意識，同時也提供對各種能源需求簡單易懂的比較，包括各種家用電器、冷氣空調、照明設備、汽車等。在美國，也有針對本國出產的產品執行「能源之星」標準的類似計畫(表1)。電腦的電源可以進行80 Plus標準自願認證，其中，最高等級的鈦金認證對於能源效率的要求極度嚴苛，而且要求達到優於0.9的功率因數。由於人們對能耗的高度關注，促使白色家電製造商必須謹慎地選擇其所使用的微控制器產品，以前誰會想到冰箱設計會要求採用具有低功耗休眠模式和半智慧自動周邊模組的微控制器，以幫助取得A+++能源標章？

這一切都意味著傳統電路設計方法(使用純類比或混合訊號元件，搭配外部處理器)已經無法再因應這些挑戰。為了進一步降低設計導致的能源損耗，中央處理器(CPU)必須被整合到系統，採用半智慧和/或半自動周邊模組，以便根據應用取得最精確的測量資訊，進行正確的控制選擇。

小尺寸優勢突顯　Cortex-M0受青睞

圖1　ARM Cortex-M0處理器方塊圖

32位元安謀國際(ARM)Cortex-M0處理器非常適合為此類系統提供所必需的智慧處理能力。其僅有12,000個邏輯閘，在面積尺寸上，與占用更多面積的相鄰類比模組相比，幾乎小到可以忽略不計(圖1)。因此，在設計中增加這樣一個具備智慧功能的區塊，其成本微乎其微，同時還可讓製造商開發出具更高價值的產品，為消費者提供可觀的產品附加價值。 Cortex-M0的最低功耗僅為16微瓦(μW)/MHz(90LP製程)，32×32乘法運算可以在一個時脈周期完成，Cortex-M0被定位為可提供非常優異系統功耗效能比的微處理器。

圖2　ADSP CM40X方塊圖

亞德諾(Analog Device)的ADSP-CM40X系列產品展示處理核心和半自動周邊的巧妙整合(圖2)。例如，為了進行永磁同步馬達(PMSM)控制，這些混合訊號控制處理器採用具有14位元精度的雙16位元類比轉數位的轉換器，如此一來，可為精確測量進入馬達的電流提供一個很好的起點。

但僅有精確量測還是不夠的，測試時間對於確保精確了解要控制的馬達狀態也同樣重要。首先，雙類比轉數位轉換器可確保兩個測試是同時進行的，從而提高控制迴路的精準度，增加性能。除此之外，類比轉數位的轉換器還與脈衝寬度調變(PWM)模組同步，確保採樣在零向量的中間點發生，提供有效抑制開關波紋的瞬時平均電流。在晶片中的Cortex-M4處理器具有浮點運算功能，可以利用這些精確訊息來實現複雜的控制運算，從而實現對馬達的高效能控制。

圖3　XMC4000微處理器方塊圖

另一個案例是來自於英飛凌(Infineon)的XMC4000系列微處理器(圖3)。該產品是針對太陽能逆變器、交換式電源供應器(SMPS)、不斷電系統(UPS)和馬達控制等應用所設計，帶有CAPCOM捕捉和比較單元、12位元類比轉數位的轉換器、Delta Sigma解調器和PWM模組。如果這些模組各自分離，彼此之間是不會有任何特殊意義，但將它們整合在一起時，這些模組能夠半自動地執行很多控制和測量任務，從而為具有數位訊號處理(DSP)擴展的ARM Cortex-M4核心(在CMSIS DSP資料庫的支援下)提供訊息和實現高效能解決方案的機會。

此外，Cortex-M0處理器新授權廠商之一的戴樂格半導體(Dialog Semiconductor)，則計畫進一步擴展電源管理晶片(PMIC)和電池管理產品系列，提供整合處理能力。

隨著物聯網(IoT)吸引越來越多的關注、加上技術的發展演進，它已經逐步落實到日常生活當中，並可為功耗效率的提升帶來更多可能。一方面，物聯網的實現能讓消費者透過智慧型手機和平板電腦共享資訊，進而了解家用電器的能耗訊息。另一方面，電器、電源和馬達控制系統實現了相互通訊的能力，不僅可能實現單一設備級別上的節能，還能實現很多設備組成的整體系統層面的全面節能。整合處理器是實現這種願景的必備要件。有一點可以肯定的是，市場對精心設計的混合訊號晶片的需求將繼續成長，因此，藉以補強能耗優勢的低功耗處理核心需求也將成為趨勢。

(本文作者為安謀國際處理器部門嵌入式處理器產品總監)