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Analog-Design: Integration analoger Komponenten mit ARM-Mikrocontrollern

Die Entwicklung eingebetteter Systeme bringt enorme Herausforderungen mit sich, denn die Vorgaben zum Erzielen von Verbesserungen in Bezug auf Leistungsdaten, Kosten, Energieverbrauch, Platzbedarf, neue Leistungsmerkmale und Wirkungsgrad sind sehr ehrgeizig. Allerdings zeichnet sich eine neue Entwicklungs-Option ab, um mit diesen komplexen Problemen fertig zu werden. Gemeint ist die intelligente Integration analoger Komponenten mit ARM-Mikrocontrollern.

Entwicklung eingebetteter Systeme Bildquelle: © Analog Devices
Entwicklung eingebetteter Systeme

Von der traditionellen Analogintegration unterscheidet sich dieses Konzept durch das hohe Leistungsniveau und die Optimierungen, die zur Lösung bestimmter Systemprobleme vorgenommen wurden. Die Rangfolge der Bereiche, auf denen Verbesserungen nötig sind, ist in jedem Marktsegment anders. Die höchst wünschenswerte gleichzeitige Abdeckung unterschiedlicher Anforderungen lässt sich durch die Integration mehrerer diskreter Bauelemente erzielen. Es leuchtet ein, dass sich mit dem Kombinieren von Bauelementen viele Ziele im Embedded-Systems-Bereich erreichen lassen. Dennoch reicht es nicht aus, einfach eine Reihe diskreter Bauelemente und einen Prozessor zusammen in einem Gehäuse unterzubringen. Die reale Lösung ist deutlich komplexer und erfordert eine Integration, die das Attribut „intelligent“ verdient.

Wenn es gelingt, hochleistungsfähige analoge Komponenten (z.B. Verstärker, A/D-Wandler, D/A-Wandler, Spannungsreferenzen, Temperatursensoren, Funk-Transceiver usw.) auf intelligente Weise mit 32-bit-Prozessor-Cores von ARM sowie passenden digitalen Peripheriefunktionen zu integrieren, so lassen sich Ziele erreichen, für die diskrete Lösungen nicht geeignet sind. Eine Voraussetzung dafür, den optimalen Mixed-Signal-Steuerungsprozessor zu realisieren, sind jedoch fundierte Kenntnisse des gesamten Systems, die Verfügbarkeit der richtigen IP sowie Fachkenntnisse zu dieser IP.

Darüber hinaus müssen die Chipdesigner und Systementwickler, die die Eigenschaften solcher integrierten Bausteine spezifizieren, außerordentlich gut mit den Anforderungen der finalen Anwendung vertraut sein. Dieses entscheidende Fachwissen schließt auch ein fundiertes Verständnis der Anforderungen an die Leiterplatten ein, beispielsweise was das Format, die Temperaturbereiche, die Herstellung, den Energieverbrauch, die Kosten und die ergänzenden Bauelemente zur Vervollständigung der Signalkette betrifft. Bild 1 gibt einen Überblick über die analogen und digitalen IP-Blöcke, die häufig in intelligent integrierten Bauelementen zum Einsatz kommen.

Intelligente Integration: Analoge und digitale IP wird kombiniert und für die jeweilige Ziel-Applikation optimiert Bildquelle: © Analog Devices
Bild 1. Intelligente Integration: Analoge und digitale IP wird kombiniert und für die jeweilige Ziel-Applikation optimiert.

Die Verfügbarkeit der richtigen IP bildet eine solide Ausgangsbasis, um die gestellten Systemanforderungen zu erfüllen. Diese Ausgangsbasis ist notwendig, damit die Entwicklungszeit des Mixed-Signal-Steuerungsprozessors kurz gehalten werden kann. Mehr und mehr sind die Halbleiterhersteller gefordert, die für die Anwendung passende IP zu beschaffen bzw. zu generieren und zu implementieren. Darüber hinaus ist eine Anpassung der IP an die spezifischen Anforderungen der einzelnen Applikation erforderlich. Durch Optimieren der Leistungsfähigkeit und der Arbeitsweise basierend auf den Anforderungen der primären Ziel-Anwendung müssen zunächst maximale Vorteile auf der Systemebene realisiert werden.

Als nächstes gilt es, die IP so zu optimieren, dass sie einwandfrei und reibungslos mit den übrigen IP-Blöcken des Mixed-Signal-Steuerungsprozessors zusammenarbeitet. Schließlich müssen auf der geschäftlichen Ebene Möglichkeiten für eine Kooperation bestehen, in der das Fachwissen des Systemherstellers und des Halbleiterherstellers zusammengeführt wird, um ein optimiertes, einzigartiges Design hervorzubringen.

Anwendungen für Mixed-Signal-Steuerungsprozessoren

Unzählige Anwendungen können von Bauelementen profitieren, die leistungsfähige analoge Funktionen mit inte­grierten ARM-Mikrocontrollern kombinieren. Temperatur- und Drucksensoren sind hier ebenso anzuführen wie Gasdetektoren, PV-Wechselrichter, Motorsteuerungen, die Vitalzeichen-Erkennung im Gesundheitswesen, Überwachungssysteme im Automotive-Sektor sowie Strom-, Gas- und Wasserzähler. Im Mittelpunkt dieses Artikels stehen zwei Anwendungsgebiete, in denen die Integration optimierter, hochleistungsfähiger Analogfunktionen und ARM-Mikrocontroller-Cores gravierende Vorzüge hinsichtlich der Kosten, der Leistungsaufnahme, der Abmessungen und der Leistungsfähigkeit mit sich bringt:

  • Wechselrichter für Photovoltaik-Anlagen (PV). Hier geht es um die Steigerung des Wirkungsgrads, die Senkung der Materialkosten und die Integration von Intelligenz für eine bessere Anbindung an das Smart Grid.
  • Motorsteuerungen. Hier wird ein höherer Wirkungsgrad angestrebt, um die Umwelt zu schonen und die Kosten zu senken.

Diese intelligent integrierten Mixed-Signal-Bausteine sind zwar für bestimmte Endanwendungen optimiert, eignen sich aber ebenso für ähnlich gelagerte Applikationen mit vergleichbaren Anforderungen.

PV-Wechselrichter mit Intelligenz

Bei den PV-Anlagen wurden in den vergangenen fünf Jahren jährliche Zuwachsraten von über 50 % verzeichnet. Dennoch hat diese Art der Energieerzeugung nur einen sehr geringen Anteil an der weltweiten Elektrizitätsgewinnung. In einigen Regionen liegt die Stromerzeugung aus Sonnenlicht kostenmäßig gleichauf mit jener aus fossilen Energieträgern. In den meisten Regionen ist es jedoch noch nicht so weit, und die Kostenparität hängt in der Regel von der Gewährung staatlicher Subventionen ab.

Um besser mit traditionellen Energieträgern wie Erdgas, Kohle und Öl konkurrieren zu können, muss die aus Sonnenlicht gewonnene Energie kostengünstiger werden, und dies am besten durch Anhebung des Wirkungsgrads und eine Senkung der Materialkosten für die PV-Anlagen. Nachdem die Entwicklung bei den Preisen und Wirkungsgraden der Panels selbst bereits in die richtige Richtung zeigt, versprechen neue Technologien entsprechende Fortschritte auch bei den Wechselrichtern, die die Schnittstelle zwischen den PV-Panels und dem Stromnetz bilden. Zu diesen Technologien gehören NPC-, 3-Punkt-, 5-Punkt- und Multilevel-Hochfrequenz-Schalt­topologien, bestückt mit schnellen Leistungstransistoren auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN).

Blockschaltbild eines zweistufigen PV-Wechselrichtersystems. Die für eine intelligente Integration in Frage kommenden Schaltungsteile sind rot umrandet Bildquelle: © Analog Devices
Bild 2. Blockschaltbild eines zweistufigen PV-Wechsel- richtersystems. Die für eine intelligente Integration in Frage kommenden Schaltungsteile sind rot umrandet.

Bild 2 zeigt einen zweistufigen PV-Wechselrichter, der die von den Panels kommende Gleichspannung in eine Wechselspannung zur Einspeisung in das Stromnetz verwandelt. In der ersten Stufe, einem Gleichspannungswandler, wird die Spannung auf ein Niveau angehoben, das auf die Scheitelspannung des Wechselspannungsnetzes abgestimmt ist. In der zweiten Stufe dann erfolgt die Umwandlung von Gleich- in Wechselspannung. Der rot eingerahmte Bereich umfasst die für Steuerungszwecke verwendeten Niederspannungs-Komponenten, deren Kombination zu einem einzigen Mixed-Signal-Steuerungsprozessor Vorteile für das Gesamtsystem bietet.

Eine Kostenersparnis resultiert aus der Integration mehrerer Bauelemente zu einem einzelnen Baustein sowie aus der mit den neuen, schnellen Schalt-Topologien erzielten Verbesserung des Wirkungsgrads. Das Ergebnis sind niedrige Installationskosten pro kW. Kostensenkungen ermöglichen die neuen Topologien ebenfalls aufgrund der Tatsache, dass kleinere induktive Bauelemente verwendet werden können, denn dies reduziert die Materialkosten und erlaubt den Bau kleinerer Wechselrichter.

Schnelle A/D-Wandler auf Basis der SAR-Technik (Successive Approximation Register) eignen sich sehr gut für diese Anwendung, denn sie zeichnen sich durch passende Genauigkeit (z.B. 13 ENOB), die Fähigkeit zum Multiplexen mehrerer Eingangskanäle sowie eine geringe Latenzzeit (<1 µs) aus. Das System verfügt über zwei A/D-Wandler, damit Strom und Spannung des öffentlichen Netzes simultan abgetastet werden können. Um mehrere Punkte des Systems überwachen zu können, benötigt der A/D-Wandler viele (in einigen Fällen bis zu 24) analoge Eingangskanäle. Angesichts dieser Forderung wurden spezielle Multiplexer mit Pufferfunktion entwickelt und mit den A/D-Wandlern kombiniert.

 Zur Unterstützung der mehreren Umwandlungsstufen und der schnellen Regelkreise musste ein Prozessor-Core gewählt werden, dessen Architektur für die hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit geeignet ist. Im vorliegenden Fall erfüllt ein ARM Cortex-M4, der über den gesamten Temperaturbereich eine Taktfrequenz von mehr als 200 MHz unterstützt, die gestellten Anforderungen.

Schnelle A/D-Wandler auf Basis der SAR-Technik (Successive Approximation Register) eignen sich sehr gut für diese Anwendung, denn sie zeichnen sich durch passende Genauigkeit (z.B. 13 ENOB), die Fähigkeit zum Multiplexen mehrerer Eingangskanäle sowie eine geringe Latenzzeit (<1 µs) aus. Das System verfügt über zwei A/D-Wandler, damit Strom und Spannung des öffentlichen Netzes simultan abgetastet werden können. Um mehrere Punkte des Systems überwachen zu können, benötigt der A/D-Wandler viele (in einigen Fällen bis zu 24) analoge Eingangskanäle. Angesichts dieser Forderung wurden spezielle Multiplexer mit Pufferfunktion entwickelt und mit den A/D-Wandlern kombiniert.

Zur Unterstützung der mehreren Umwandlungsstufen und der schnellen Regelkreise musste ein Prozessor-Core gewählt werden, dessen Architektur für die hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit geeignet ist. Im vorliegenden Fall erfüllt ein ARM Cortex-M4, der über den gesamten Temperaturbereich eine Taktfrequenz von mehr als 200 MHz unterstützt, die gestellten Anforderungen.

Die in Bild 2 eingezeichneten SINC-Filter werden im Verbund mit Isolations-A/D-Wandlern verwendet. Dies gestattet eine Messung des Wechselstroms im Netz und eine Gleichstromeinspeisung, um eine Sättigung der Transformatoren zu vermeiden. Die traditionelle Methode besteht in der Verwendung von Hall-Effekt-Stromwandlern, was jedoch verglichen mit den Isolations-A/D-Wandlern hohe Kosten verursacht. Letztere setzen wiederum die Integration der SINC-Filter in den Mixed-Signal-Steuerungsprozessor voraus, da anderenfalls ein zusätzlich benötigter Chip mit programmierbarer Logik die Materialkosten in die Höhe treibt. Die Kombination aus Isolations-A/D-Wandlern und SINC-Filter zeichnet sich gegenüber Hall-Effekt-Sensoren außerdem durch eine höhere Linearität aus und reduziert damit den Oberwellengehalt.

Wenn das Stromnetz immer intelligenter wird, müssen auch PV-Wechselrichter über immer mehr Intelligenz verfügen, um mit Ungleichgewichten im Netz fertig zu werden. Hiermit sind Situationen gemeint, in denen das Energieangebot größer ist als die Nachfrage. Aus diesem Grund richtet man den Blick auf PV-Anlagen, die mit Intelligenz für eine bessere Netzanbindung ausgestattet sind. Hier müssen alle Teilnehmer zusammenarbeiten, um das Netz zu stabilisieren. Die Netzintegration erfordert eine bessere Messung, Regelung und Analyse der eingespeisten Energie. Eine Oberwellenanalyse-Einheit speziell für die Überwachung der Qualität der in das Netz eingespeisten Energie stellt diesbezüglich eine große Hilfe dar. Durch die Berechnung einer Reihe von Variablen (z.B. Oberwellengehalt, Leistung, Effektivspannung, Effektivstrom, Blindleistung, Scheinleistung und Leistungsfaktor) ist eine Qualitätsüberwachung möglich. Steht eine Einheit speziell für diese Berechnungen zur Verfügung, lässt sich eine hohe Genauigkeit erzielen, während gleichzeitig der ARM-Cortex-M4-Core von dieser Aufgabe entlastet wird. Bei PV-Wechselrichtern ergeben sich durch die Verwendung von Mixed-Signal-Steuerungsprozessoren, die genau für diese Anwendung konzipiert sind, große Vorteile auf der Systemebene. Gestützt auf fundierte Kenntnisse der Markttrends und auf ein solides Systemwissen lässt sich ein intelligent inte­grierter Chip hervorbringen, der die Topologien der nächsten Generation mit höherer Integration unterstützt und darüber hinaus zusätzliche Leistungsmerkmale für die Anbindung an das Smart Grid mitbringt.