Zwei Dies in einem Package Analog/Mixed-Signal-Controller soll neue Maßstäbe bei Industrie-Applikationen setzen

Analog Devices hat mit der Serie ADSP-CM40x eine Familie ARM-Cortex-M4-basierender Controller vorgestellt, die dank ihrer Analog-Peripherie und einem DSP-Koprozessor neue Maßstäbe bei Industrie-Anwendungen wie Antrieben oder Solar-Umrichtern setzen soll.

Für High-End-Antriebssteuerungen und Solarinverter hat Analog Devices den ADSP-CM40x entwickelt. Es handelt sich dabei nur auf den ersten Blick um einen herkömmlichen Mikrocontroller: Zwar basiert er mittlerweile wie die meisten seiner Zunft auf ARMs Cortex-M4-Core, dieser wird jedoch je nach Derivat mit hohen 150-240 MHz getaktet. Zudem befindet sich in dem Package noch ein zweiter Die mit Analog-Peripherie, der in einem separaten Fertigungsprozess gebaut wird. Diese Peripherie ist ähnlich wie bei Infineons XMC4000-Familie direkt auf die Zielapplikationen zugeschnitten. Gefertigt wird das System-in-Package bei TSMC.

Heute werden rund 40 % der elektrischen Energie durch Antriebe – mit wachsender Tendenz - verbraucht, u.a. getrieben durch immer stärke Farikautomatisierung. Gefordert werden höhere Leistung und höhere Wirkungsgrade, die nur mit einer immer präziseren Ansteuerung möglich sind. Hierfür hat sich Analog-Devices einiges einfallen lassen.

Da sind z.B. zwei A/D-Wandler, die statt wie üblich 10 oder 12 bit Auflösung glatte 16 bit Auflösung mit jeweils 12 Kanälen liefern und jeweils bei einer Abtastrate von 2,6 MS/s eine Genauigkeit von +/- 3 LSB aufweisen. Die Abtast- und Wandelzeit betragen zusammen nur 380 ns – da kann keine andere Cortex-M4-MCU mithalten. Ein dem A/D-Wandler vorgeschalteter Steuerungsblock übernimmt das Scheduling und die DMA-Steuerung, zudem können diverse Ereignisse wie z.B. Grenzen für Eingangssignale programmiert werden.

In der Antriebstechnik erlaubt ein Isolierwandler zusammen mit einem Nebenschlusswiderstand eine dynamische und isolierte Strommessung bis in den Bereich von mehreren hundert Ampere. Die zugrunde liegende Idee ist es, einen 1-bit-Sigma-Delta-Modulator auf der High-Side mit einem über eine Isolationsstrecke übertragenen Takt von einigen MHz zu betreiben und das Ergebnis als Bitstrom auf die Masseseite zu übertragen. Eine geeignete digitale Filterung des Signals ermöglicht eine äußerst flexible, dynamische und genaue Motorstrommessung und Regelung inklusive einer schnellen Überstromerkennung im μs-Bereich. Die Schaltungen verkraften die schnellen Spannungsänderungen moderner getakteter Motor-Ansteuerungen problemlos und liefern je nach Integrationszeit einen 12- bis 16-bit-Messwert. Für die digitale Filterung kommen heute in der Regel ASICs oder FPGAs zum Einsatz.

Dieses lässt sich mit einem weiteren Hardware-Block, einem SINC3-Filter, einsparen. Dieser kann z.B. so programmiert werden, dass durch Scchaltvorgänge verursachte Störimpulse herausgefiltert werden. Bei Infineons XMC4000 ist dieselbe Funktionalität erzielbar – mit einem On-Chip-Sigma-Delta-Demodulator. Dieser beinhaltet vier Kanäle und demoduliert den Bitstrom mit Hilfe eines Kammfilters.

Die Auflösung der 12 PWM-Paare des ADSP-CM40x beträgt 2,5 ns – was sehr hoch ist, allerdings nicht an die 150 ps des XMC4000 herankommt. Dieser beinhaltet ja einen Block für eine hochauflösende PWM, die den CCU4- bzw. CCU8-Timern nachgeschaltet wird und teilt einen Referenztakt in rund 55 kleinere (bei 120 MHz Kerntaktfrequenz dauert ein Taktzyklus ja 8,33 ns), 150 ps lange Einheiten auf - man kann also sagen, die PWM der CCUs wird verfeinert.

Der zweite große Zielmarkt von Analog-Devices sind die Solarumrichter. Neue Schaltregler-Technologien mit GaN (Galliumnitrid) und SiC (Siliziumkarbid) ermöglichen zukünftig signifikante Leistungs- und Kostensprünge, erfordern allerdings entsprechend komplexe Steuerungen.

Die verfügbaren Topologien wie Abwärtswandler, Aufwärtswandler, Ab-Aufwärtswandler, SEPIC-Wandler (Step-down/up-Converter), Flyback-Wandler, Halbbrücken, Vollbrücken, LLC-Wandler usw. brauchen nicht nur ohnehin schon unterschiedliche PWMs und Regelstrategien; sie werden mittlerweile u.a. aus patentrechtlichen Gründen in teilweise abenteuerlichen Kombinationen zusammengeschraubt (z.B. Aufwärtswandler plus LLC-Wandler plus DC/AC-Stufe), von denen jede unterschiedliche Pulsmuster der PWM und Regelalgorithmen benötigt. Zudem möchte man ja mit einer möglichst hohen Schaltfrequenz arbeiten, um u.a. die passive Elemente (Spulen und Kondensatoren) möglichst klein halten zu können.

Neben der schon erwähnten Hardware kommt hier ein weiterer Hardware-Block, die sogenannte Harmonic-Analysis-Engine (HAE), ins Spiel. Mit diesem kann man im 50-60-Hz-Band bis zu 12 Harmonische auswählen, die über eine FFT analysiert werden können, um zu überprüfen, wie gut der eingespeiste Sinus tatsächlich ist und ggf. die Regelung zu verändern. Ziel ist natürlich, die Wirkleistung des Umrichters zu maximieren.

Mit dem ADSP-CM40x hat Analog-Devices einen interessanten Baustein vorgestellt, der ähnlich wie der XMC4000 einen limitierten Wirkungskreis haben wird – Motorsteuerungen, Antriebsregelung und Solarumrichter. Dafür ist er allerdings erheblich besser ausgestattet als Allzweck-Mikrocontroller, sein direkter Wettbewerber ist der XMC4000 von Infineon, der mit ähnlichen Hardware-Innovationen punkten kann – an die Rechenleistung des mit 240 MHz getakteten Cortex-M4 kommt er allerdings mit seinen maximal 120 MHz nicht heran.

Der Preis für den ADSP-CM40x beginnt bei 8,14 US-Dollar bei der Mindestabnahme von 1.000 Stück pro Jahr.