32位元MCU/專用控制器搶進　工控產品設計架構翻新

工控馬達電路設計架構將有新變革。微控制器(MCU)業者正積極以具備較高處理效能的32位元產品取代傳統8位元微控制器，以滿足工業控制設備低成本、高效能的要求。

32位元方案搶市　工控馬達效能再提升

繼恩智浦(NXP)、德州儀器(TI)與新唐等晶片業者後，英飛凌(Infineon)亦推出新一代32位元微控制器解決方案，以8位元價格、32位元運算效能的優勢，搶攻工業控制市場商機。

圖1　英飛凌工業及多元電子微控制器部門資深協理Stephan Zizala指出，32位元微控制器價格已愈來愈低。

英飛凌工業及多元電子微控制器部門資深協理Stephan Zizala(圖1)表示，隨著低階工業控制設備對效能要求愈來愈高，8位元微控制器已逐漸無法滿足製造商的需求，加上32位元微控制器的價格已與8位元相差無幾，進而使工業控制市場掀起一波32位元微控制器導入風潮，並吸引眾多晶片業者爭相搶進。

Zizala進一步指出，在工業控制市場中，8位元微控制器處理高階演算的能力已遇到技術瓶頸，未來市占率勢必將被高性價比的32位元微控制器逐漸侵蝕；而目前已有不少工業設備製造商開始導入32位元方案，藉此改善工業控制設備的效能。

有鑑於32位元微控制器在低階工業控制市場商機逐漸擴大，英飛凌亦發表新一代工業用微控制器--XMC1000系列產品，此一新方案以介於0.25～1.25歐元的超經濟價格衝擊8位元市場。在產品規格方面，該公司採用安謀國際(ARM)Cortex-M0處理器核心，並添增數學協同處理器、特殊用途計時器(Timer)、馬達定位介面、類比數位轉換器(ADC)等周邊元件，藉此協助設備商打造出低成本、高效能的產品。

然而，相較於其他微控制器供應商，英飛凌在低階工業控制市場的32位元方案推出時程顯然較晚，如何在市場拓展上後發先至亦成為業界關注焦點。Zizala認為，工業控制市場並較快發表解決方案就能取得領先優勢，而是須在成本與效能方面同時滿足客戶要求，才有機會在市場中取得一席之地。

據了解，由於英飛凌透過與台積電進行技術合作，讓XMC1000系列成為市場上首款在12吋晶圓上採用65奈米(nm)嵌入式快閃記憶體技術的32位元微控制器，因此可在有限的電路空間置入更多高效能處理器與周邊元件，並藉由12吋晶圓量產優勢降低生產成本，有助提升該公司於工業控制市場的競爭力。

除此之外，英飛凌亦透過微控制器內建的IP保護功能吸引設備商目光。Zizala強調，隨著微控制器硬體價格越來愈低，其核心IP軟體即成為各家製造商能否打造差異化產品的關鍵。為防止軟體遭竊取，未來英飛凌的微控制器系列產品中將於隱藏記憶體中內建一組金鑰，該組金鑰將經由專業加密，並由原始設計製造商(ODM)將加密軟體嵌入晶片，使晶片具有讀取保護(Read Protect)功能，藉此提升微控制器產品附加價值。

工業控制產品設計的另一趨勢，是有越來越多業者開始採用無刷直流(BLDC)馬達與永磁同步馬達(PMSM)設計，以符合低功耗、環保的潮流，此一趨勢，讓設計工程師面臨BLDC馬達及PMSM設計較為複雜與如何降低成本的挑戰。有鑑於此，快捷(Fairchild)推出整合32位元微控制器的先進馬達控制器，透過雙晶片平行運算架構，提升馬達控制器效能，同時還可簡化BLDC馬達與PMSM的設計架構。

採平行處理核心架構　AMC效能加倍

圖2　快捷半導體BLDC產品線行銷經理簡文烯透露，未來該公司與馬達控制相關的元件產品，皆會採用內建微控制器架構。

快捷半導體BLDC產品線行銷經理簡文烯(圖2)指出，目前BLDC馬達與PMSM在各種應用市場中已越發普及，不過，工程師在產品中導入BLDC馬達與PMSM此種新一代可變頻、效率更加且更省電的馬達時，不僅在設計上須加入新的控制電路，微控制器所須運算的資訊也相對較多，因此微控制器需要較高的運算效能才可有效控制與運算馬達的訊號，並做出最適切的反應，促使32微元微控制器逐漸受到市場青睞。

儘管如此，採用效率較高的32位元微控制器進行馬達控制設計，仍有不少挑戰。

首先，工程師仍須花費時間撰寫馬達控制程式指令，才能達到所需的馬達控制功能，發揮BLDC馬達與PMSM的高效率與能特性。然而，要讓硬體工程師撰寫其不了解的控制軟體，無疑是一大門檻。

另一方面，32位元微控制器透過演算法軟體進行BLDC馬達與PMSM資料運算，效能亦會出現瓶頸，且具備更高運算能力的微控制器反而耗電量相對提升，將無法滿足終端裝置製造商改用BLDC馬達與PMSM以進一步節省系統耗電的初衷。

簡文烯解釋，即使工程師採用具備浮點運算的32位元微控制器全權負責控制與資料運算，對微控制器而言，工作負擔仍然相當重，系統整體耗電量，以及工程師撰寫控制軟體所須付出的成本依然居高不下，更何況軟體如何與微控制器最佳化的搭配，亦是一大挑戰。為解決BLDC馬達與PMSM設計問題，快捷新推出的先進馬達控制器(AMC)，透過兩個可分享資訊與同步運作的電路核心(圖3)，亦即由微控制器控制周邊元件，馬達控制器運算各種訊號，提升BLDC馬達與PMSM控制效能，同時減少功耗。

資料來源：快捷 圖3　先進馬達控制器電路架構

快捷半導體先進馬達控制器內建的微控制器採用快速指令集，因此效能可較一般8051架構微控制器具備較佳處理效能，且該微控制器整合1KB靜態隨機存取記憶體(SRAM)，毋須再外掛記憶體，可減少系統物料清單(BOM)。馬達控制器則內建脈衝寬度調變(PWM)引擎，能針對各種馬達設計進行調整，執行包括正弦波控制、磁場導向控制(FOC)及直接正交(DQ)控制等演算法，再運用快捷提供的資料庫進行設定和儲存，不僅可實現高效能的馬達控制，還能簡化馬達電路設計，加速產品上市時程。

值得一提的是，快捷先進馬達控制器除了擁有較高效能外，價格也具備競爭力。簡文烯強調，已於2013年進入大量量產的先進馬達控制器價格每千顆報價為2.24美元，介於中階與低階32位元微控制器間，對於須採用32位元微控制器進行馬達控制設計的業者而言，毋須選擇高階32位元微控制器，即可以較低成本獲得較佳的馬達控制運算效能。

據悉，快捷新推出的先進馬達控制器，為該公司購併崇貿科技後，融合兩家技術優勢所研發的產品，因此從產品發想、設計到正式量產，皆是由台灣工程團隊負責。目前該元件也已獲得，包括白色家電、電動工具、電動腳踏車等大量採用BLDC馬達及PMSM的產品開發商導入設計，預計2013年內將有採用先進馬達控制器的產品問世。

根據IMS Research統計資料顯示，包括洗衣機、冰箱與空調系統等主要家庭應用(MHA)，內建BLDC馬達與PMSM的比重，將由2013年的27.8%提升至2015年的35.6%(圖4)，可見BLDC馬達及PMSM市場商機龐大，不僅吸引微控制器業者的目光，混合訊號IC供應商也積極搶進。

資料來源：IMS Research 圖4　全球MHA產品銷售量與BLDC馬達及PMSM採用率

隨著新一代32位元微控制器與先進馬達控制器的推出，工業產品設計的解決方案將更趨多元，而整體系統效能也可望大幅躍升。