【導讀】電力電子產品設計人員致力於提升工業和汽車係統的功率效率和功率密度
，這些設計涵蓋多軸驅動器、太陽能、儲能、電動汽車充電站和電動汽車車載充電器等。

這(zhe)些(xie)係(xi)統(tong)的(de)主(zhu)要(yao)設(she)計(ji)挑(tiao)戰(zhan)之(zhi)一(yi)是(shi)在(zai)降(jiang)低(di)係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)的(de)同(tong)時(shi)，實(shi)現(xian)更(geng)出(chu)色(se)的(de)實(shi)時(shi)控(kong)製(zhi)性(xing)能(neng)。要(yao)應(ying)對(dui)這(zhe)一(yi)挑(tiao)戰(zhan)
，常(chang)用(yong)的(de)方(fang)法(fa)是(shi)使(shi)用(yong)擁(yong)有(you)超(chao)低(di)延(yan)遲(chi)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)處(chu)理(li)功(gong)能(neng)的(de)模(mo)擬(ni)和(he)控(kong)製(zhi)外(wai)設(she)的(de)高(gao)度(du)集(ji)成(cheng)的(de)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi) (MCU) 。

實時控製性能：延遲是關鍵

在深入應用實例之前，先讓我們簡要看下“延遲”。在多軸驅動器、機器人
、具有儲能係統的光伏逆變器
、電動汽車充電站和電動汽車中
，控製性能與 MCU 對信號進行采樣、處理和控製的速度直接相關。圖 1 展示了實時信號鏈和信號延遲之間的關係，信號延遲指從模數轉換器 (ADC) 測量信號
，到 CPU 處理信息，以及脈寬調製器 (PWM) 控製功率的時間。這個時間需要盡可能小，才能實現超低延遲控製環路處理。

圖 1：實時性能和延遲的概念

對於數字電源來說，實現較高的功率密度意味著要將 DC/DC 的開關頻率從 50kHz 提高到 100kHz
、500kHz 或更高。如果您使用的 MCU 以 100MHz 運行並且穩壓環路同步到 PWM 頻率，在 10kHz 時，PWM 中斷之間的可用 CPU 周期數為 10,000

，而在 100kHz 時會降為 1,000。隨著頻率上升，可用於檢測流程控製的時間縮短，因此您需要優化 MCU 架構
，以便在實時信號鏈中盡量節省每個周期的時間。

在光伏逆變器和儲能係統中實現下一代電源

如圖 2 suoshi，guangfunibianqishichangbuduanfazhan，chuxianlejichengchunengxitongdehunhenibianqi，dailailekongzhishuangxiangnengliangzhuanhuandetiaozhan。danxinpianjiagouxuyaoshiyongjuyouxuduogaofenbianlv PWM 通道和額外高帶寬 ADC 輸入的 MCU，例如 TMS320F28P650DK C2000Tm 32 位 MCU。

圖 2：集成了儲能係統的光伏逆變器架構

weimanzuxuduoyingyongzhongduikezaishengnengyuanbuduanzengchangdexuqiu，guangfunibianqixuyaogenggaodegonglvxiaolvhegenghaodezongxieboshizhenxingneng。yizhongfangfashishiyonggengxindeduoxiangduojinibianqidianyuanjiagou。zheleijiagoutongchangtongguoyizufuzadedianyuansuanfaheewaidewaibuluoji（例如複雜的可編程邏輯器件或現場可編程門陣列）來實現
，以便使用正確的序列安全地打開和關閉電源開關。這種方法會增加布板空間和係統成本。

能在不同 PWM 模塊中支持板載定製
、最小死區和非法組合邏輯（用於防止破壞性上電/斷電序列的 MCU 特性）的 MCU 可讓設計人員在降低成本的同時
，減少或甚至移除外部邏輯，從而進一步簡化設計。

此外
，務必將 PWM 單元和集成的模擬窗口比較器進行緊密耦合，以便為電源轉換器提供過流和過壓保護。基於電源拓撲，您要選擇的 MCU 可能需要搭載能夠實現對諧振模式轉換器峰值電流和穀值電流模式控製的 PWM 單元。

在電動汽車車載充電器中實現更輕鬆、更快速的集成

隨(sui)著(zhe)全(quan)球(qiu)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)數(shu)量(liang)的(de)增(zeng)長(chang)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)需(xu)要(yao)找(zhao)到(dao)新(xin)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，以(yi)便(bian)使(shi)車(che)載(zai)充(chong)電(dian)器(qi)進(jin)一(yi)步(bu)集(ji)成(cheng)並(bing)降(jiang)低(di)其(qi)成(cheng)本(ben)。典(dian)型(xing)的(de)實(shi)現(xian)方(fang)案(an)為(wei)兩(liang)個(ge)彼(bi)此(ci)隔(ge)離(li)的(de) MCU
，一個用於車載充電器功率因數校正，另一個用於車載充電器 DC/DC。

盡管采用單個 MCU 會增加將信號發送回 MCU 所需的隔離器件，但其增加的成本可與減少元件數量節省的成本相抵，包括減少 CAN 收發器、穩壓器、電源管理集成電路、運算放大器以及實現返回主機 MCU 通信所需的隔離。

圖 3 展示了單個 MCU 控製高達 22kW 的三相車載充電器功率級拓撲。PFC 級是兩相交錯式圖騰柱
，而 DC/DC 級是雙電容-電感-電感-電感-電容 (CLLLC)，可減小變壓器尺寸和場效應晶體管的電流等級。

圖 3：由單個 MCU 控製的三相電動汽車車載充電器（PFC 與 DC/DC）

確定所需的最少 MCU 硬件資源（PWM、ADC
、比較器）後，您可能還希望在降低 CPU 開銷的同時，實現更多的軟件集成。由於集成可以實現對單個器件上更多信號的采樣，選擇的 MCU 如包含內置基於硬件的過采樣和偏移量校準功能的 ADC，可簡化軟件設計
，從而使 MCU 具有更高的周期效率，並能夠更快運行控製環路。

另一個挑戰是對具有不同實時限製的多個任務進行軟件集成：PFC、DC/DC 以及輔助控製和安全性需要共存，這讓軟件開發變得更加複雜。

從單核 MCU 轉向多核 MCU 架構並在 MCU 內核之間分配存儲器
、PWM 和模擬資源，可幫助實現向多個內核分配不同的控製環路頻率
，例如

，一個內核用於控製 PFC
，另一個用於運行兩個 CLLLC。每個內核以不同的獨立頻率運行控製環路：圖騰柱通常為固定頻率，但車載充電器的直流/直流電源轉換級（圖 3）不斷變化。使用多核架構還有助於實現更可靠、更精密的過流和過壓保護（因為可以針對每個內核優化每個控製環路），無需外部監控元件，還可以降低成本。

電動汽車將在數分鍾內充滿電，每個家庭都將使用光伏和儲能係統，工廠將使用更多高效的機器人並實現能源足跡更少的自動化……實時控製 MCU 的創新將為實現更清潔、更安全、更高效的世界鋪平道路。

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