רכיבים אנלוגיים וליבות MCU ARM כדי לענות לאתגרים משובצים

התכנון של מערכות משובצות עתידיות מציב אתגרים מורכבים בגין המטלות הקשוחות של שיפור בתחומי הביצועים, העלות, ההספק, הממדים, התכונות החדשות והיעילות. אחת האפשרויות לתכנון האמורה לטפל בבעיות מורכבות אלו היא ברכיבים אנלוגיים המשולבים בצורה חכמה עם ליבות מיקרו-בקר ARM.

ההבדל בינה לבין שילוב אנלוגי מסורתי הוא ברמה הגבוהה של ביצועים המוצעת עתה והייטוב המיועד לפתור בעיות ספציפיות ברמת המערכת. בעוד שלכל שוק תהיה רמה משלו של תחומים אלה לשם שיפור, סיפוק של גורמים רבים בו-זמנית רצוי ביותר ויכול לנבוע משילוב של רכיבים דיסקרטיים מרובים. לפי ההיגיון, חיבור חלקים עשוי לפתור רבות ממטלות מערכת המשובצת אלו, אולם להציב פשוט רכיבים דיסקרטיים אחדים ומעבד בתוך מארז יחיד איננו מהווה תשובה; הפיתרון הוא הרבה יותר מורכב, ודורש שילוב חכם.

שילוב חכם אנלוגי ודיגיטלי
שילוב חכם של רכיבים אנלוגיים איכותיים (מגברים, ADCs, DACs, מתחי ייחוס, חיישני טמפרטורה, מקמ”שים אלחוטיים וכו’) וליבות מעבד -32ביט של ARM עם הציוד ההיקפי הדיגיטלי הנכון יכול לענות למטלות שפיתרונות דיסקרטיים אינם יכולים לפתור. כדי ליצור את הפיתרון האנלוגי המיטבי של מיקרו-מעבד, דרוש ידע חזק של המערכת הכוללת ביחד עם זמינות הקניין הרוחני (intellectual property-IP) והמיומנות בו. למתכנני שבבים ולמהנדסי מערכות המגדירים תכונות שבבים משולבים אלה צריכה להיות הבנה יוצאת מן הכלל על דרישות הסיום של היישום. ידע בתחום זה הוא קריטי וכולל הבנה איתנה של הדרישות ברמת הכרטיס כגון גורם הצורה, תחומי הטמפרטורה, ייצור, צריכת הספק, עלות ורכיבים משלימים בשרשרת האותות.
זמינות ה-IP הנכון מספקת נקודת זינוק כדי לענות למטלות ברמת המערכת. נקודת זינוק זו דרושה כדי לשמור על תקופת פיתוח קצרה של המיקרו-בקר האנלוגי. יצרן המוליכים למחצה צריך להקל על הרכישה/ייצור והמימוש של ה-IP המתאים ליישום בעצמו. לאחר מכן יש לשנות את ה-IP כדי לענות לשתי דרישות במיוחד. הראשונה היא למרב את יתרונות רמת המערכת על-ידי ייטוב הביצועים והתפעול על בסיס הצרכים של יישום המטרה הראשוני הדרוש. הבא הוא ייטוב ה-IP כדי לפעול היטב ובקלות עם גושי ה-IP המשלימים במיקרו-בקר האנלוגי.
ולבסוף, יהיה צורך להשיג הזדמנות ברמה העסקית של שיתוף פעולה, המשלבת את המיומנות והידע של יצרן המערכת ויצרן המוליכים למחצה, כדי ליצור תכנון ייחודי מיוטב.

יישומי MCU אנלוגיים
ישנם הרבה יישומים שיכולים ליהנות מהתקן המשלב ביצועים אנלוגיים גבוהים עם מיקרו-בקרי ARM הכוללים חישת טמפרטורה, חישת לחץ, גילוי גזים, מהפכים (inverters) סולריים, בקרת מנועים, ניטור סימני חיים בשירותי הבריאות, מערכות ניטור רכב ומדי גז/מים/חשמל. מאמר זה ידון בשני תחומי יישומים בהם השילוב של תכנון אנלוגי איכותי וליבות מיקרו-בקר ARM מעניק יתרונות משמעותיים בעלות, הספק, ממדים וביצועים:
1) מהפכים עבור מערכות שמש פוטו-וולטאיות (photovoltaic systems – PV) בעלות מטלות של יעילות מוגברת, הפחתת עלויות עלות החומרים (bill of material-BOM) ושילוב של חכמה כדי לתמוך בממשק אל הסריג החכם.
2) בקרת מנועים, עם המטלות של יעילות משופרת לטובת הסביבה והפחתת העלויות.
שים לב שבעוד התקני אותות מעורבים חכמים אלה מיוטבים עבור יישומי-סיום מיוחדים, הם יכולים לפעול היטב עבור יישומים סמוכים מרובים בעלי דרישות פונקציונליות דומות מיישום המטרה הראשוני.

מהפכי-שמש פוטו-וולטאיים: צמצום עלויות, והסריג החכם
בעוד מערכות-שמש PV להפקת חשמל רשמו גידול שנתי של מעל 50% במשך חמש השנים האחרונות, הן גרמו רק לאחוז מאוד קטן של ייצור החשמל הכולל בעולם. על אף שמאזורים מסוימים חשמל מיוצר עלי-די PV השיג שוויון עלות עם חשמל המיוצר מדלק מאובנים, לרוב זה לא קרה וככלל שוויון זה תלוי בסבסוד הממשלות.
כדי להתחרות טוב יותר כנגד מקורות אנרגיה מסורתיים כגון גז טבעי, פחם ונפט, צמצום העלויות של חשמל המיוצר מ-PV סולרי מושג בצואה הטובה ביותר על-ידי הן העלאות היעילות והקטנת עלויות ה-BOM של המערכת. בעוד העלויות/היעילות של הפנלים עצמם נוטים לרדת, טכנולוגיות חדשות גם מבטיחות התקדמות עבור מהפכי PV סולריים – הממשק בין הכוח המיוצר על-ידי פנל סולרי והסריג. טכנולוגיות חדשות אלו כוללות טופולוגיות NPC ברמה 3, 5, רמות מרובות, וטופולוגיות מיתוג בתדר גבוה תוך שימוש בטרנזיסטורי הספק מהירים המבוססים על חומרי קרביד הסיליקון (SiC) וניטריד גאליום (GaN).
איור 1 מראה מערכת מהפך PV סולרית דו-שלבית. ההספק של הפנלים, בעיקר מקור DC, מומר ל-AC עבור הסריג. השלב הראשון הוא ממיר DC ל-DC המעלה את רמת המתח כך שיתאים למתח השיא על הסריג. השלב השני הוא ממיר DC ל-AC. השטח באדום מראה את רכיבי הבקרה של מעגל המתח הנמוך אשר, כאשר משולב לשבב מיקרו-בקר אנלוגי יחיד, מציע יתרונות ברמת המערכת. עלויות נחסכות על-ידי שילוב אל מיקרו-בקרים אנלוגיים ועל-ידי טופולוגיות מיתוג מהירות חדשות. הטופולוגיות החדשות מציעות יעילות גבוהה יותר, על-ידי הפחתת העלויות לקילו-ואט של מתקן. יש גם עלויות שאפשר לחסוך עם טופולוגיות אלו כאשר ניתן להשתמש בסלילים קטנים. דבר זה חוסך עלויות BOM ומאפשר גם הקטנה במימדי המהפך.
ADCs בעלי אוגר קירוב עוקב מהיר (High speed successive approximation register – SAR) הם התאמה טובה עבור יישום זה מאחר שהם מספקים את רמת הדיוק הנכונה (13ENOB), מהירות המרה גבוהה כדי לתמוך בלולאות הבקרה בעלות תדרים גבוהים יותר,היכולת לתמוך בעירוב של ערוצי מבוא מרובים וכמיסות (latency) נמוכה (). למערכת זו שני ADCs לשם דגימה בו-זמנית של זרם ומתח על הסריג. דרוש מספר רב של ערוצי מבוא אל ה-ADC כדי לנטר נקודות רבות במערכת – עד 24 ערוצים אנלוגיים במקרים מסוימים. יש לתכנן ולממשק עירוב מיוחד בעל חציצה עם ה-ADCs כדי לתמוך בדרישה זו.
לשם תמיכה בדרגות מרובות של המרה ולולאות הבקרה המהירות, יש לבחור בליבת מעבד בעלת הביצועים האדריכליים הנכונים והיכולת להפעלה מהירה. במקרה זה ARM Cortex M4, המתוכנן להפעלה גדולה מ-200 מגה-הרץ יספק את הצורך.
מסנני ה-SINC, המוצגים באיור 1, משמשים בשילוב עם ה-ADCs לבידוד. דבר זה מאפשר את המדידה של זרם ה-AC על הסריג והזרקת זרם DC כדי למנוע את רוויית השנאים. השיטה המסורתית היא שימוש במתמר זרם בעל Hall Effect אולם דבר זה הוא יקר בהשוואה ל-ADCs לבידוד. מניחים כאן שמסנני ה-SINC משולבים לתוך המיקרו-בקר האנלוגי תוך ביטול של שבב נוסף ב-BOM בצורת לוגיקה מיתכננת. השילוב בין ADC ומסנן SINC3 מהווה גם יתרון נוסף של ליניאריות משופרת בהשוואה לחיישני Hall Effect תוך השגה של הקטנה בעיוות ההרמוני.
ככל שהסריג נהיה חכם יותר, מהפכי PV סולריים יזדקקו ליותר חוכמה כדי לסייע לחוסר האיזון של הסריג, במקרים שיותר הספק מהדרוש זמין ממקורות רבים. מסיבה זו, נוצר מיקוד על חוכמת מערכת ה-PV תוך מבט אל שילוב הסריג, כאשר כל תורם לסריג צריך לשתף פעולה כדי לייצב את הסריג, במקום לספק פשוט הספק בלולאה פתוחה. שילוב הסריג מחייב מדידה, בקרה וניתוח טובים יותר של איכות האנרגיה המסופקת לסריג. מנגנון ניתוח הרמוני המתוכנן במיוחד כדי לנטר את איכות ההספק המוזרק לתוך הסריג מסייע לענות לצורך זה. איכות ההספק ניתנת לניטור בעזרת חישוב מספר משתנים הכוללים עיוות הרמוני, הספק, מתח RMS, זרם RMS ,VAR ,VA, וגורמי הספק. מנגנון מיוחד לביצוע חישובים אלה עשוי לתת דיוק רב ביותר בשעה שהוא משחרר את ליבת ה-ARM M4 מביצוע מטלה זו.
מהפכים סולריים יכולים ליהנות משמעותית ברמת המערכת על-ידי שימוש במיקרו-בקרים אנלוגיים המתוכננים תוך מחשבה על יישום סופי זה. הבנה של נטיות השוק וידע מוצק על המערכת יכולים להוביל לשבב משולב בחוכמה המסוגל לתמוך בטופולוגיות של הדור הבא עם מספר אירועים נמוך בשבב תוך הוספת תכונות התומכות בממשק אל הסריג החכם.

בקרת מנוע: יעילות משופרת עבור סביבה טובה יותר וחסכון בעלות חיי המוצר
בנוסף לשיקולי הסביבה על אופן הפקת האנרגיה, קיימות גם דאגות על מידת היעילות שבשימוש באנרגיה. מאחר שמנועים אחראיים על 40% מהשימוש העולמי בחשמל, השאלה הנשאלת היא כיצד מערכות אלו יכולות להיות יותר “ירוקות”. התשובה היא לעשות אותן יותר יעילות כך שפחות אנרגיה נצרכת. חסכונות מהשימוש הרחב במנועים יעילים יותר נמדדים במספרים גבוהים: חסכונות בחשמל של מיליארדי קילו-ואט-לשעה והקטנה ב-CO2 המשוחרר לאוויר במיליוני טונות בשנה. ההשפעה של מנועים יותר יעילים היא בבירור מאוד משמעותית.
באופן ספציפי, יש מספר שיקולי מפתח עבור השימוש במנועים יותר יעילים. אחד מהם הוא החקיקה של הממשלות הנובעת מדאגות לסביבה. לאיחוד האירופאי יש כללים מאושרים, ונוספים שיופיעו בעתיד אשר מחייבים את השימוש במערכות מנועים יעילות יותר. שיקול-מפתח נוסף הוא היתרונות בעלות משך החיים. עלויות מערכת מנוע אופיינית הן 10% עבור חומרים ו-90% בגין האנרגיה המשמשת לתפעול. כך שיש כאן פוטנציאל משמעותי להקטנת עלויות משך החיים של מערכות מנועים בעלי יעילות גדולה יותר.
ניתן להשיג יעילויות גבוהות יותר בעזרת תכנון מנועים מיוחד, בחירת סוג המנוע, בנוסף להזנת מהירות מתכווננת (adjustable speed drive – ASD) עבור מערכות שאין להן סוג זה של בקרה, ועל-ידי שיפורים במעגלי הבקרה. במושגים של תכנון מנועים מיוחד ובחירת סוג מסוים של מנוע, מנועים בעלי מגנט קבוע היו במוקד והשימוש בהם נמצא בעלייה. יעילויות עבור מנועים בעלי מגנט קבוע יכולות להיות גבוהות עד כדי 93%, דבר העולה על תקן היעילות הגבוה של אירופה (IE3).
מיקרו-בקרים אנלוגיים משולבים בחוכמה מציעים יתרונות עבור ASDs ושיפורי מעגלי הבקרה. איור 3 מראה דיאגרמה מלבנית של מערכת בקרת מנוע. שילוב יעיל-לעלות של תת-מערכת CPU מבוססת-ARM, PWMs, ADCs וערבוב מתבטא בצמצומים ב-BOM ברמת המערכת עבור ASD.
ניתן לשפר את מעגלי הבקרה על-ידי שימוש ב-ADC מדויק ביותר בעל זמני המרה מהירים. דבר זה מוביל לעליות ביעילות עבור מערכת המנוע הכוללת. ADC בעל יותר מ12- ביטים של דיוק משפר את הדיוק בו ניתן לבקר את זרמי המופע. אולם כמיסות המרת הדגימה איננה יכולה לבוא במקום דיוק גבוה יותר. דבר זה מונע את האופציות של ADC הממצע או מצופף דגימות-אות כדי לשפר את ה-SNR. יש למדוד את המשתנים בקצב בו נעה המכונה הסופית (לדוגמה מכונת pick and place). זמני המרה מהירים מושלמים על-ידי ליבת מיקרו-בקר ARM מהירה מאפשרים ללולאת הבקרה לרוץ מהר יותר ולגרום להיענות וזמני תצוגה טובים יותר. דבר זה יכול להעלות גם את התפוקה והיעילות של מערכת קווי ייצור, ולהביא לעלויות ייצור נמוכות יותר.
כמו ביישומי PV סולריים, ADCs SAR הם בחירה טובה עבור בקרת מנועים. במקרה של בקרת מנועים, ADC SAR בעל ביצועים גבוהים ניתן לתכנן ללא צורך במיצוע או דגימת-יתר כדי לענות לדרישות.
יש לתכנן בזהירות את גושי ה-IP השונים באיור 2 כדי שיפעלו היטב ביחד. התוצאה הדרושה היא תת-מערכת מכשור גמישה ביותר שיכולה לרכוש דגימות מרובות, מתוזמנות במדויק ולהעביר אותן ביעילות לזיכרון הראשי של ה-ARM. במקרה של בקרת מנוע, ניתן לדגום הן זרמי ליפופי המופע של המנוע והן מדידות אחרות בנקודות מוגדרות במדויק במחזור ה-PWM. ניתן להעביר אזי ביעילות את הנתונים הדגומים לזיכרון המיקרו-בקר לשם עיבוד. חמישה גושים שונים במיקרו-בקר אנלוגי צריכים לעבוד יחדיו כדי למלא מטלה זו.
המחזור מתחיל בפולס PWM שנשלח ליחידת ניתוב התיחול (trigger routing unit – TRU) שתפקידה לחבר את מנהלי התיחול (masters) לעבדי התיחול (slaves). במקרה זה ה-PWM הוא מנהל התיחול ובקר
ה- (ADC controller – ADCC) הוא עבד התיחול. ה-ADCC צריך להיות מסוגל לנהל מספר רב של אירועים והוא משתמש במוני הזמן (timers – TMR0/TMR1) לקבוע כמה זמן מתיחול ה-PWM יש ליזום אירוע ADC מסוים. עם מונה הזמן תואם לאירוע מסוים, ערוצי ה-ADC נבחרים ואות התחלת ביצוע ההמרה נשלח אל ה-ADC. נתוני הדגימה מועברים מה-ADC אל ה-ADCC ולאחר מכן מה-ADCC אל ה-SRAM של המיקרו-בקר דרך ה-DMA.
איור 3 מראה את התזמון היחסי בין פולסי ה-PWM ,PWM sync ואירועי ה-ADC המבוקרים על-ידי ה-ADCC.
נקודות זינוק בסיסיות ל-IP טובות היו זמינות עבור ה-PWMs, TRU, עירוב, חציצה, SAR ADCs ו-DMA עבור תכנון של מיקרו-בקר אנלוגי המיועד לבצע בקרת מנוע. אולם היו דרושים שינויים מסוימים בתכנון של גושים אלה כדי להשיג את רמת התאום הדרושה עבור תזמון מדויק של דגימת ה-ADC בתוך מחזור ה-PWM. הצורך בגוש ADCC מבוסס על העובדה שגושי ה-IP האחרים משולבים לתוך שבב יחיד ודורשים תאום. ה-ADCC מתוכנן עבור דרישה זו וכדי לנצל במלואה את המהירות הגבוהה של שני מנגנוני ה-ADCs שיש להם זמן המרה מהיר של 380 ננו-שניות.

סיכום
טכנולוגיית בסיס מתקדמת היא רק ההתחלה – למתכנני השבבים דרוש לא רק ידע נרחב של מערכות הלקוחות, אלא גם מיומנות מעמיקה בתכנון, יישום וייטוב של הרכיבים האנלוגיים והדיגיטליים המדויקים; ורכיבי ה-IP/תוכנה הקשורים. בנוסף, יצרני הסיליקון צריכים לרצות ולהיות מסוגלים להתחבר ולשתף פעולה ישירות עם יצרני המערכת כדי לייצר מוצרים חדשים. הרכיבים המתאימים ביותר נבחרים, נעשים שינויים כדי לייטב עבור היישום הסופי ומשנים גושי IP כדי שיפעלו יחדיו היטב. רק אז ניתן לשלב ביחד את החלקים המיוטבים. דוגמאות של מוצרים “משולבים חכם” אלה ניתן לקבל מ-Analog Devices, כולל ה-ADuCM360, מערכת איסוף נתונים משולבת במלואה, 3.9 קילו-דגימות בשנייה, – ביט,
וה-ADSP-CM403F Mixed-Signal Control Processors המשלבים ADCs – ביט כפולים בעלי דיוק רב וליבות מעבד ARM Cortex-M4TM.

סימוכין
1. M. Murnane, “Robust Completely Isolated Current Sense Circuit with Isolated Power Supply for Solar Photovoltaic Converters”, CN-0280 Circuit Note, www.analog.com
2. D. O’Sullivan, J. Sorensen, A. Murray,”Motor Control Feedback Sample Timing Using the ADSP-CM408 ADC Controller”, AN-1267 Application Note, www.analog.com
3. “ADSP-CM402F/CM403F/CM407F/CM408F Mixed-Signal Control Processor with ARM Cortext-M4”,www.analog.com, 09/2013

על המחברים
Colin Duggan היא בעל תואר Bachelor of Science בהנדסת חשמל מ-Northeastern University המשרה הראשונה שלו לאחר סיום הלימודים הייתה ב-Analog Devices והוא עם החברה מזה 20 שנה. ל-Colin מספר תפקידים בהנדסת יישומים ושיווק. כעת הוא משמש כמנהל השיווק עבור חטיבת Embedded Systems Product Technology. בתפקיד זה הוא תורם משמעותית לאסטרטגיית השיווק והמכירות של מוצרים מבוססי מעבד של Analog Devices.

Denis Labrecque הוא מנהל תכניות השיווק ופיתוח עסקי של חטיבת Embedded Systems Products and Technology בחברת Analog Devices Denis עובד ב-Analog Devices מזה 14 שנה, החל ממנהל שיווק עבור קבוצת השמע SoundMAX PC של ADI לפני שקיבל את התפקיד הנוכחי. Denis כתב וערך מספר רב של מאמרים טכניים ותצוגות, ושימש כדובר מכובד באירועי תעשייה מובילים.