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半导体业欲凭基础技术创新驱散2012年产业上空的阴霾(四):能源与工业控制篇

导读: 输配电网络化方面,把各地的传统变电站转化成数字化、智能化变电站是未来的趋势。据政府的十二五计划,将建设6100座220千伏或110千伏以上的数字化变电站。其中,半导体传感技术很重要。传统的输配电以保护和测控监控为主的保护和测控都是在二次测进行的。

  金刚狼——精彩的故事,很棒的MCU

  德州仪器“金刚狼”MCU的形象渲染

  图1 德州仪器“金刚狼”MCU的形象渲染

  刚看到上面这张图片时,你会想到什么?猛兽留下的4个犀利、血腥的爪印?充满残忍与恐怖的暴力大片中的某个镜头?都不是。这只是德州仪器(TI)对其新开发的MCU很形象的渲染。

  德州仪器全球副总裁兼MCU业务部总经理Scott Roller对这款号称具有业界最低功耗的MSP430 MCU作了如下解释:“两年前,TI请了一批最优秀的工程师坐下来,给了他们一个任务,设计一个低功耗MCU。要求功耗不能只降低5%或10%,而是不管从哪个角度看,不管用哪个参数比较,都应该实现全球同类产品最低的功耗。现在比市场上其他MCU功耗低50% 的“金刚狼”的诞生,表示我们当初的目的达到了。之所以选择金刚狼(Wolverine)这个名字,是因为电影《X-战警:金刚狼》里的主角叫金刚狼。他很厉害,可以用手掌把任何东西劈开一半,而我们想把MCU的功耗也降低一半。另外,金刚狼还长生不老。如果MCU是超低功耗,电池的使用时间就会延长,用户设计出的产品也会有更长的寿命。”

  看一下金刚狼“肌肉”的“野性”表现:待机功耗为360nA,运行功耗不到100μA/MHz,12位ADC的功耗为75μA。唤醒时间为6.5μs。环境温度85℃时,仍可保持上述数据。

  主要采用两种技术实现了低功耗特性:一、TI特有的130nm混合信号超低漏电 (ULL) 工艺,把漏电流降低10倍以上,运行功耗降低15%。二、FRAM铁电存储器使金刚狼比基于闪存和EEPROM的微控制器每位功耗降低了约250倍。例如,写入13kB数据时,闪存的功耗为6600μW,FRAM为27μW。另外,FRAM的写入次数约1015。

  仪表计量等工业品、便携医疗和健身设备、电动汽车电机控制和充电部分,及消费电子产品等对功耗很敏感的领域,属于金刚狼MCU适合的应用(见图2)。Roller特别强调:“未来金刚狼也会有新产品针对日本的家电厂商。”

  运动健身和仪表计量应用中,金刚狼MCU与其他MCU的性能比较

  图2 运动健身和仪表计量应用中,金刚狼MCU与其他MCU的性能比较

  中国的能源市场结构是西强东弱。西部地区有丰富的能源,如火力发电、水力发电、风能及太阳能发电,新能源是主要发展趋势。用电则是东强西弱,因此迫切需要实现西电东输。

  未来的趋势是电网将全面实现联网化,会把小区及每个用户的电力需求网络化,包括新能源接入和家庭能源智能管理。中国政府提出建设坚强智能电网,输配电要强壮,用电要保证可控,智能电表是个关键环节。另外,新能源发电的并网,及微网储能,是目前产业界面临的主要问题。

  输配电网络化方面,把各地的传统变电站转化成数字化、智能化变电站是未来的趋势。据政府的十二五计划,将建设6100座220千伏或110千伏以上的数字化变电站。其中,半导体传感技术很重要。传统的输配电以保护和测控监控为主的保护和测控都是在二次测进行的,未来将逐渐把这部分转移到一次测。这样,大部分设备都在室外,对半导体芯片的工作温度范围、抗干扰及特殊环境的需求都增加了。

  对于太阳能发电,英飞凌基于ARM Cortex-M4处理器的XMC4000 32位MCU系列可满足电力驱动和新能源系统逆变控制的需求。

  英飞凌工业与多元化电子市场事业部MCU高级总监Stephan Zizala表示,XMC4000有4个快速并联12位ADC模块、2个12位DAC、4个∑-Δ解调器模块,采样速率为3.5MSPS,可有效剔除逆变过程中的直流分量,不需要CPU的干预,降低了负荷,提高了精度。采用了类似FPGA的模型,由用户自行定义触发方式(见图3和图4)。

  英飞凌XMC4000 32位MCU系列可满足电力驱动和新能源系列逆变控制的需求

  图3 英飞凌XMC4000 32位MCU系列可满足电力驱动和新能源系统逆变控制的需求(1)

        英飞凌XMC4000 32位MCU系列可满足电力驱动和新能源系统逆变控制的需求

        图4 英飞凌XMC4000 32位MCU系列可满足电力驱动和新能源系统逆变控制的需求(2)

  XMC4000包含5个系列:XMC4100、XMC4200、XMC4400、XMC4500 和XMC4700。XMC4500系列采用120MHz的CPU、汽车工艺级的1MB嵌入式闪存、160KB的RAM。还配备三个CAN模块、6个通用串行通信通道和一个用于通信的外置总线接口。

  Zizala称,串行通信接口USIC是个特有的技术创新,不改变硬件,用软件定义通信接口是UART还是SPI,或Quad SPI、IIC、IIS或LIN。例如,2个UART和4个SPI,或4个UART和2个SPI等。

  ADI中国区技术业务经理张松钢

  图5 ADI中国区技术业务经理张松钢

  另外,对于电力线路测量和保护,ADI中国区技术业务经理张松钢(见图5)表示,集成16位双极性同步采样SAR ADC和片内过压保护功能的AD76068通道数据采集系统(DAS),可实现对多相输配电网络的大量电流和电压通道进行同步采样。

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