Programmierbarer Analog-IC Mixed-Signal-Schaltung flexibel gestalten

Bei Applikationen mit unterschiedlichen Anforderungen an die Mixed-Signal-Schaltungen gab es nur zwei Optionen: Mehrere Layouts mit flexibel gestaltbaren diskreten Komponenten oder weniger flexible, aber einfach zu implementierende Controller mit analogen I/Os. Hier ist eine dritte Alternative.

Dank programmierbarer Analog-ICs mit FPGA-ähnlicher Funktionalität gibt es nunmehr einen dritten Lösungsweg, der gegenüber beiden bisherigen Lösungswegen deutliche Vorteile verspricht.

Mixed-Signal-Schaltungen mit diskreten analogen Ein-/Ausgängen zu entwerfen, zu evaluieren und zu debuggen war schon immer eine große Herausforderung. Insbesondere, wenn die Entwickler aus dem digitalen Bereich kommen und nicht auf die Herausforderungen von analogen Designs vorbereitet sind, bei denen das Schaltungslayout und die Produkteinführungszeit immens vom Leistungsbudget sowie der Komponentenauswahl und deren Anordnung anhängt. Oft müssen sich die Entwicklungsteams nämlich auch noch einer weiteren Herausforderung stellen: der Entwicklung von Hardwarevarianten, um innerhalb einer Applikationsfamilie mehrere Endprodukte zu unterstützen. Beispielsweise muss ein Motorcontroller, der in einer ganzen Familie von Motoren zum Einsatz kommt, höchst unterschiedliche I/O-Auslegungen unterstützen, denn es gibt je nach Auslegung des Motors auch unterschiedliche Strom/Spannungsbereiche, Leistungsmerkmale und Ansteuerungsanforderungen.

FPGA-ähnliche Funktionalität für Mixed-Signal Schaltungen 

Mit in Mikrocontrollern eingebetteten analogen I/Os gibt es zwar einen alternativen Ansatz zu diskret ausgelegten Mixed-Signal-Layouts, mit dem Entwickler nur noch ein Hardwaredesign entwickeln und debuggen müssen, was deutlich Zeit und Kosten spart. In der Regel geht diese Effizienzsteigerung bei der Entwicklung jedoch einher mit einer geringeren Flexibilität, einem eingeschränkten I/O-Support sowie in deterministischer Software. Mit den programmierbaren Analog-ICs von Maxim Integrated werden jedoch all diese Einschränkungen beseitigt, da es die Vorzüge und die Vielseitigkeit von FPGA-ähnlichen Bausteinen in die Welt der Mixed-Signal-Schaltungen bringt.

Der Maxim MAX11300 PIXI (Bild 1) ist ein programmierbarer Hochspannungs-Mixed-Signal-IC, der unterschiedliche I/O-Anforderungen unterstützt und zusammen mit einem Mikrocontroller betrieben wird. Es bietet sowohl einen 12-Bit-Mehrkanal-A-D-Wandler als auch einen 12-Bit-Mehrkanal-D-A-Wandler, an den bis zu 20 Mixed-Signal-, hochspannungstolerante Ports für bipolare Spannungen angeschlossen werden können. Jeder Port ist konfigurierbar als ADC-Eingang, DAC-Ausgang, universeller Ein-/Ausgangsport (GPIO) oder analoger Schalter. Das IC verfügt außerdem über einen internen Sensor zur Überwachung der Chiptemperatur (Junction Temperature) sowie zwei externe Sensoren zur Überwachung der Umgebungstemperatur. Der MAX11300 läuft – nachdem es beim Einschalten eines Systems über den Host-Mikrocontroller konfiguriert wurde – unabhängig von diesem. Jeder Port kann dabei individuell auf einen von vier wählbaren Spannungsbereichen zwischen -10 V bis +10 V konfiguriert werden. Damit ist er insbesondere für Anwendungen geeignet, die eine flexible Kombination analoger und digitaler Funktionen erfordern.

Alternative zum Mikrocontroller mit eingebetteten analogen I/Os 

Zwar gibt es – wie bereits erwähnt – auch einen alternativen Ansatz der Mikrocontroller mit eingebetteten analogen I/Os. Bei solchen Lösungen werden jedoch mehr Aufgaben über Software ausgeführt, was unnötig Mikrocontroller-Performance verbraucht. Gegenüber einer solchen Lösung entlastet eine MAX11300 PIXI-basierte Lösung jedoch den Prozessor und seine Software. Zudem garantiert sie auch eine deterministische I/O-Performance, die nicht durch Mikrocontroller-Prioritäten oder Interrupts beeinträchtigt werden kann. Die Performance ist also in keiner Weise von einer bestimmten Konfiguration oder dem Betriebscode des Mikrocontrollers abhängig. Auch bieten die meisten Mikrocontroller keinen integrierten DAC. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Flexibilität, da jeder der 20 Ports bedarfsgerecht konfiguriert werden kann, wohingegen die Ports von Mikrocontrollern in der Regel fix definiert sind. Überzeugend ist auch seine Vielseitigkeit, da jeder I/O-Port bedarfsgerecht auf Spannungsbereiche von 0 bis 2,5 V, ±5 V, 0 bis +10 V und -10 V bis 0 V eingestellt werden kann, was bei Mikrocontrollern mit integrierten analogen I/Os ebenfalls nicht üblich ist. Zusätzlich kann jeder Pin als Stromquelle/Senke von bis zu ±25 mA verwendet werden, was für den direkten Anschluss einer Vielzahl von realen Schnittstellen oft erforderlich ist. Zudem kann der MAX11300 PIXI auch als komplementäre Einheit mit rein digitalen Logikbausteinen eingesetzt werden, was deren Systemleistung – anders als bei alternativen Lösungen – nicht beeinträchtigt, sondern optimiert.

Ein weiterer wichtiger Vorteil des MAX11300 PIXI ist seine einfache Nutzung; Programmier- und Codierkenntnisse sind dank seiner Konfigurationssoftware nicht erforderlich. Selbst für Digitaltechniker, die mit der Analogtechnik nicht vertraut sind aber FPGAs und andere Logikbausteine programmieren können, ist die Konfiguration dieses ICs unkompliziert. Hierfür bietet die Maxim PIXI GUI eine intuitive, leicht zu bedienende Drag & Drop-Umgebung, mit der man die Skriptdatei erstellt, die bei jedem Start in das Gerät geladen wird, da der MAX11300 PIXI keinen nichtflüchtigen Speicher bietet.

Analoge Anwendungen programmieren 

Der Hochspannungs-IC MAX11300 PIXI ist für Mixed-Signal-Schaltungen und Anwendungen ausgelegt, die eine moderate Auflösung und Geschwindigkeit erfordern. Anwendungsbereiche finden sich in Vorspannungsreglern von Hochfrequenz-Leistungsgeräten, wie man sie in Basisstationen der Telekommunikationsnetze findet, oder in der Überwachung und Sequenzierung der Stromversorgung sowie in einer Vielzahl von industriellen Steuerungs- und Automatisierungsapplikationen. Als eines von vielen Anwendungsbeispielen ist auch ein Motor-Controller zur temperaturabhängigen Steuerung eines Lüfter mit Pulsweitenmodulation zu nennen, anhand dessen sich die Flexibilität und Vielseitigkeit des ICs sehr gut demonstrieren lässt (Bild 2). Kern der Funktion ist der geschlossene Regelkreis (Closed Loop) vom Temperatursensor zum Analog-DAC-Ausgang des Motor-Controllers mit übergeordneter Überwachung durch einen Mikrocontroller. Der MAX11300 PIXI kann für die Integration zusätzlicher Kanäle konfiguriert werden, um zum Beispiel zusätzliche analoge Eingänge wie Kühlmittelfluss, Aktoren oder Ventile einzubinden. Eine solche hardwarebasierte Implementierung bietet den Vorteil, dass die analogen Funktionen des Systems beim Hochfahren automatisch bestimmt und parallel zum Mikrocontroller des Systems deterministisch ausgeführt werden.

Dank der analogen Funktionalität des MAX11300 können Entwickler einen in Bezug auf Leistung, I/Os und Kosten günstigeren Host-Prozessor oder Mikrocontroller wählen, denn er muss nicht die Funktion eines komplett softwarebasierten analogen Front-End-Devices übernehmen. Eine solche Tandemlösung bietet zudem auch eine erhebliche Flexibilitätssteigerung in der Entwicklung, da neue Designanforderungen ohne ein Re-Design des Boards umgesetzt werden können, was Designrisiken minimiert, Zeit und Kosten spart und letztlich zu einer schnelleren Markteinführung führt.

Im Vergleich zum traditionellen Ansatz diskreter analoger Designs reduziert die Verwendung eines einzigen PIXI-ICs die Stückliste (BOM) und unterstützt dennoch gleichzeitig mehrere Endproduktvarianten. Das Board Layout bleibt auch bei Konfigurationsänderungen der analogen Kanäle unverändert. Das Konstruktionsrisiko wird zudem auch dadurch reduziert, dass kein spezifisches Know-how für analoge Schaltungsdesigns erforderlich ist und die Probleme bei der Komponentenauswahl entfallen.

Zur Evaluierung des neuen ICs gibt es zwei Alternativen: Zum einen das PIXI-Evaluation-Kit (Bild 3), das über USB mit dem PC verbunden wird. Es bietet ein windows-kompatibles Gui, mit dem Entwickler alle Funktionen des ICs programmieren und testen können. Zudem gibt es das PIXI Peripheriemodul mit Pmod-Port, welches das einfache Prototyping von Designs mit Pmod-Erweiterungsschnittstelle ermöglicht.

Zusammenfassung 

Obwohl die Begriffe analog und programmierbar traditionell nicht zusammenpassen, bietet der Baustein MAX11300 PIXI dank FPGA-ähnlicher Funktionalität eine Lösung zur Überbrückung dieser Gegensätze. Es verfügt über ein hervorragendes Preis/Leistungsverhältnis, eine hohe Flexibilität bei der Auslegung der I/O- und Schnittstellenfunktionen sowie eine deterministische Performance, die parallel und unabhängig vom Host-Mikrocontroller zur Verfügung steht und ihn dadurch auch nicht beansprucht, sondern gegenüber alternativen Designs sogar entlastet.

Für viele Anwendungen ist dies die ideale Ergänzung zur digitalen Logik, die mehrere Mixed-Signal-Schnittstellen in applikationsspezifisch variierender Auslegung benötigen. Insgesamt bietet der MAX11300 PIXI eine hohe Flexibilität in Bezug auf die konfigurierbaren I/Os sowie eine hohe Vielseitigkeit, da jeder I/O eine echte bipolare Hochspannungsversorgung mit wählbaren Eingangsspannungsbereichen ermöglicht. Zudem ist es über seine Benutzeroberfläche intuitiv programmierbar. Es vereinfacht analoge Designs und ist deshalb ein Baustein, der in einer Vielzahl von Anwendungen in unterschiedlichsten Märkten eine echte Problemlösung darstellt. (fr)