SoC和MCU需要外部电路实现电源管理、人机接口或连接传感器。因此,设计中几乎总是需要比较器、运算放大器、电平转换器、各种逻辑和分立式晶体管。而SoC几乎从来就不是真的片上系统。

在某些情况下,所需的支持逻辑会被植入到低端FPGA中,但通常这些分立式元件的成本加起来并不低。这不是一个好的解决方案,因为FPGA不能满足模拟或分立式元件的需要。

对嵌入式器件来说,由于MCU或SoC不能满足所有可能的传感器、电源和连接选项,这一挑战将会变得更为明显。

可配置混合信号IC

可配置混合信号IC(CMIC)为应对这些挑战提供了一个明智的解决方案。CMIC是通过一次性可编程(OTP)非易失性存储器配置的具有数字模拟电路功能的矩阵。

这类新器件的先驱和领导者就是Silego Technology。自2009年推出CMIC以来,Silego已经完成了超过1300种客户设计,而CMIC出货量在20亿以上。

Silego的CMIC提供了异步状态机(ASM)和各种模拟及数字资源,便于设计人员配置成混合信号电路。

设计人员可以抓取这些资源,并用原理图绘制工具对其进行布线,他们也可以利用Silego硬件开发工具来仿真设计。如果他们对设计感到满意,就可以用板上OTP存储器进行CMIC器件编程。

CMIC可用于各种基本混合信号功能,包括电机控制、系统复位、电源测序等等。

CMIC优势

相比传统分立式器件和模拟,CMIC为嵌入式设计人员和制造商带来了多种优势。

A.嵌入式设计需要优化电板空间

十几个甚至更多元件可能占用宝贵的空间,而这些空间可供较大的电池或更薄的外形尺寸加以利用。CMIC可将几个元件集成在尺寸小至1.0x1.2mm的一个小的产品中。

B.嵌入式设计需要更方便、更迅速的方式实现创新和原型设计

印刷电路板设计、元件订购、电路板制造、组装、调试和修改,传统电路原型设计不是花上几周就是好几天。而CMIC设计、仿真和原型设计在一天之内便可完成。

C.嵌入式设计需要更低的物料清单成本

CMIC有助于减少分立式与模拟元件的材料成本。最近在embedded.com上有一篇设计分析强调,用1个0.35美元的CMIC可替代1.50美元的电平转换和比较器电路。

D.嵌入式开发人员想要难以复制的保密设计

CMIC内部的定制电路与全定制IC一样安全,只有设计人员、指定的ODM和供应链合作伙伴才可获得。

针对嵌入式应用的无静态功耗和无代码ASM与低功耗MCU的对比

便携式系统通常使用低功耗微控制器来解决尺寸和电池寿命的问题。Silego的带ASM的CMIC提供了一种替代解决方案。以下比较说明了微控制器和CMIC的ASM之间的设计权衡。

A.处理MCU代码

Silego的第五代GreenPAK CMIC中的ASM包含8态和24个可能值推断。ASM代表一个有多达24个IF...THEN语句的MCU程序。当一起考虑8态ASM功能与硬件输入和输出电路时,CMIC可以表示为大致用于常见8位和16位MCU的100行标准C代码。

CMIC ASM是由事件驱动的,且无需时钟操作。因此,当没有事件时,ASM便会保持一种状态,而没有静态功耗。因此,带有有限输入周期的应用便可在室温下以漏电流功耗很好运行,仅消耗个位数纳安级平均电流。

B.处理嵌入式控制问题

Silego优化了ASM,减轻了众所周知的风险和竞态条件、编程/配置难题,同时保留了针对需要不到100行代码的简单(多达8态)嵌入式控制问题所固有的低功耗、低延迟的好处嵌入式。

C.Over kill微控制器 与CMIC ASM值的对比

微控制器在尺寸和功率方面往往效率低下。不难发现,在应用中使用的MCU用到的马力不足1%。CMIC的ASM却非常适合简单的嵌入式控制应用,尤其是超低功耗应用。

D.中断延迟 (ns与us)

微控制器的一个重要基准是,在核执行中断服务程序(ISR)的第一条指令之前,来自外部信号中断的时间有多短,这就是所谓的中断延迟。MCU中断延迟通常在5至10us。

ASM相当于以纳秒计算的中断延迟,如果CMIC以5V电源工作,延迟最长只有50ns。

E.VDD变化

CMIC ASM在宽电压范围内工作。正确设计的ASM得以保证无风险、无竞态条件,因为每个ASM信号路径都是由信号长度和门电路数来保证的。因此,随着VDD变化,传播延迟也是如此。不过,传播延迟都是匹配的,因而性能可以保证。

改变,因为时序不会改变,时序余量将很快受到影响。

F.崩溃与否

设计和系统缺陷可能导致微控制器崩溃,包括:写得很差的软件、时序问题、中断延迟的误判、栈内存不够、内存泄漏,以及程序内存的误写。

Silego的ASM用NVM位进行了硬件配置,没有时序问题、以纳秒衡量的延迟、无栈内存、无内存泄漏、而且不会有意无意地写程序内存,因此本质上更能防止VDD噪声和电压过低的情况。

G.基于无代码GUI的工具与典型MCU工具的对比

CMIC ASM利用GreenPAK Designer开发环境进行配置。该软件是一款简单易用的原理图捕获编辑器,可以将典型MCU工具几个月的学习时间缩短到Silego的GPAK的几天时间。

H.CMIC尺寸与低功耗MCU的对比

CMIC没有MCU架构的复杂性,通常也比较小。如果CMIC产品可以执行控制功能,那么它通常也是市场上最小的可编程选项。

CMIC让嵌入式设计更简单,产品更好

综上所述,有8态ASM的小型CMIC可用于各种嵌入式控制应用,而这在以前本该是微型控制器的专属领域。轻松配置的ASM为对IoT、便携式、嵌入式应用很重要的超快状态转换、泄漏等级静态电流消耗、鲁棒设计,以及电源电压容差等带来了主要优势。此外,CMIC还提供了很多好处,将有助于嵌入式设计人员实现更大的产品利润。

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