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傳統(tǒng)的汽車和電動汽車系統(tǒng)都依賴無數(shù)電子器件的有效運行，才能實現(xiàn)便利功能和任務(wù)關(guān)鍵型功能安全能力。雖然這些不同的應(yīng)用具有廣泛的需求，但在根本上都需要能夠在極端條件下運行，同時又能提供可靠、高性能的實時響應(yīng)。 因此，開發(fā)人員迫切需要一種穩(wěn)定、強大、受到良好支持且可擴展的平臺，其能夠幫助簡化不斷擴充的汽車和電動汽車用例的設(shè)計和開發(fā)。 本文將討論 Microchip Technology 能滿足這些要求的數(shù)字信號控制器 (DSC) 系列，并介紹如何使用這些 DSC 在參考設(shè)計中實現(xiàn)汽車和電動汽車系統(tǒng)的必備功能。 多樣化的設(shè)計挑戰(zhàn)需要靈活的解決方案 無論是為傳統(tǒng)汽車還是電動汽車進行設(shè)計，開發(fā)人員都需要滿足越來越多的應(yīng)用需求，包括電源轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)、車載無線充電、數(shù)字照明系統(tǒng)，以及電機控制系統(tǒng)——從相對簡單的步進電機應(yīng)用到電動汽車 (EV) 和混合動力電動汽車 (HEV) 的復(fù)雜再生制動系統(tǒng)。汽車制造商努力提高安全性、便利性、功能性和性能，以應(yīng)對消費者的需求和競爭壓力，在此過程中，除了任務(wù)關(guān)鍵型功能安全要求，設(shè)計的占用面積和物料清單 (BOM) 要求也越來越重要。 為了滿足這些要求，該行業(yè)已針對幾乎所有的車輛子系統(tǒng)迅速改用數(shù)字解決方案。傳統(tǒng)載客車輛中的子系統(tǒng)早已依賴微控制器 (MCU)，MCU 所運行的軟件代碼數(shù)要比商用飛機多四倍[1]。 然而，隨著需求和競爭壓力的不斷增大，早期的微控制器解決方案可能無法滿足汽車設(shè)計人員現(xiàn)在面臨的一系列要求。越來越多的電子子系統(tǒng)和相關(guān)的高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換功能需要不同的電源軌，特別是在電動汽車中，這就需要更復(fù)雜的數(shù)字控制能力。移動設(shè)備的車載無線充電等其他應(yīng)用，則帶來了一系列全新的設(shè)計要求，以構(gòu)建多線圈無線功率發(fā)射器，從而與更多消費型設(shè)備中內(nèi)置的行業(yè)標準功率接收器兼容。車輛照明設(shè)計需要考慮調(diào)光、溫度、元器件老化等技術(shù)特性，以提供更明亮的前照燈、令人愉悅的顏色和儀表盤的調(diào)光效果。最后，即使在傳統(tǒng)汽車中，精密的數(shù)字控制電機也普遍存在，這顯然為電動汽車提供了功能基礎(chǔ)。 Microchip Technology 的 dsPIC33 DSC 系列專門為滿足這些多樣化的要求而設(shè)計，其成員具有專用的功能。該系列的最新成員 dsPIC33C 擴展了 dsPIC33E 和 dsPIC33F DSC 的性能和功能，可供開發(fā)人員用于更復(fù)雜的應(yīng)用。 這些 DSC 基于數(shù)字信號處理器 (DSP) 內(nèi)核，結(jié)合了 MCU 的簡單性和 DSP 的性能，可滿足不斷變化的高性能、低延遲、實時能力等要求，同時保持最小的占用面積和 BOM。開發(fā)人員借助 Microchip 廣泛的 dsPIC33 開發(fā)板、參考設(shè)計和軟件開發(fā)工具生態(tài)系統(tǒng)，可以利用 dsPIC33 系列的不同成員來擴展設(shè)計，提供作為汽車和電動汽車系統(tǒng)核心的廣泛應(yīng)用。 為汽車和電動汽車設(shè)計提供更有效的硬件基礎(chǔ) 軟件型高速數(shù)字控制回路是許多汽車子系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而 Microchip 的 dsPIC33C 系列是專門為減少延遲和加快執(zhí)行此回路而設(shè)計。為了提供這種功能，這些器件集成了 DSP 引擎、高速寄存器，以及緊密耦合的外設(shè)，包括多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)、模擬比較器和運算放大器。 DSP 引擎的單周期 16 x 16 乘積累加運算 MAC（40 位累加器）、零開銷循環(huán)和桶形移位等功能確保了數(shù)字控制回路的高速執(zhí)行。外設(shè)功能可使精密控制回路接口獨立工作，例如 150 ps 分辨率的脈沖寬度調(diào)制器 (PWM)、捕捉/比較/PWM (CCP) 定時器、外設(shè)觸發(fā)信號發(fā)生器和用戶可編程的可配置邏輯單元。 這類器件采用小至 5 x 5 mm 的封裝，具有廣泛的片上功能，有助于開發(fā)人員實現(xiàn)最小的占用面積和 BOM，以滿足時尚汽車系統(tǒng)對縮減器件尺寸的要求。這類器件進一步簡化了汽車設(shè)計，支持多種通信接口，包括控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (CAN)、本地互連網(wǎng)絡(luò) (LIN) 和先進汽車系統(tǒng)中使用的數(shù)字多路復(fù)用 (DMX)。此外，這類器件在單核和雙核配置中都有不同的內(nèi)存大小，可為先進的汽車和電動汽車應(yīng)用提供所需的可擴展解決方案。 這些零件適用于嚴苛的汽車環(huán)境，符合 AEC-Q100 0 級標準，能夠滿足引擎蓋下操作的嚴格要求，支持 -40°C 至 +150°C 的擴展溫度范圍。對于任務(wù)關(guān)鍵型汽車設(shè)計最為重要的是，選定的 dsPIC33 系列成員具有所需的功能安全性，能夠輕松滿足相關(guān)安全規(guī)格，包括 ISO 26262（ASIL A 或 ASIL B），IEC 61508 (SIL 2) 和 IEC 60730（B 類）。這些 dsPIC33 系列成員集成了專門的安全硬件功能，包括程序監(jiān)控定時器、看門狗定時器、故障安全時鐘監(jiān)控、隨機存取存儲器 (RAM)、內(nèi)置自檢 (BIST) 和糾錯碼。 在軟件開發(fā)方面，Microchip 的 MPLAB XC C 編譯器通過了 TüV SUD 功能安全認證，在某些情況下還提供有診斷軟件庫。此外，Microchip 還提供安全認證過程中所需的相關(guān)故障模式、影響和診斷分析 (FMEDA) 報告和安全手冊。 功能安全認證所需的硬件安全功能和開發(fā)能力，只是內(nèi)容豐富的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的一部分，支持基于 dsPIC33 的傳統(tǒng)汽車和電動汽車設(shè)計。Microchip 在其 MPLAB X 集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 的基礎(chǔ)上，為不同的應(yīng)用領(lǐng)域提供了一套廣泛的專門設(shè)計工具和庫，如下文所述。 為了幫助進一步加快使用 dsPIC33 系列進行開發(fā)，Microchip 提供了內(nèi)容豐富的 dsPIC33 開發(fā)板生態(tài)系統(tǒng)，以及可下載的設(shè)計資源，包括白皮書、應(yīng)用說明和參考設(shè)計。在這些資源中，有幾個 dsPIC33C 參考設(shè)計可滿足汽車和電動汽車的幾個關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域，包括無線充電、數(shù)字照明、電源轉(zhuǎn)換和電機控制。除了展示 dsPIC33C DSC 在各個領(lǐng)域的使用外，這些參考設(shè)計和相關(guān)軟件也可以作為實現(xiàn)定制設(shè)計的起點。 實現(xiàn)用于電源轉(zhuǎn)換的精密數(shù)字控制回路 控制回路是許多汽車和電動汽車應(yīng)用的核心，它們在這些應(yīng)用中最關(guān)鍵的用途之一是滿足電源轉(zhuǎn)換的基本需求。高效的直流-直流轉(zhuǎn)換在傳統(tǒng)汽車系統(tǒng)中仍然很重要，在高壓電動汽車和混合動力汽車中也是必不可少的。在這些系統(tǒng)中，200 V 至 800 V 的電池電壓需要安全有效地降到所需的 12 V 或 48 V 水平，以運行外部和內(nèi)部照明，以及雨刷器、窗戶、風(fēng)扇和泵的動力馬達。 在 200 W 的 DC/DC LLC（三個電抗元件：兩個電感和一個電容）諧振變換器參考設(shè)計中[2]，單個 dsPIC33 器件實現(xiàn)了一個用于開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換的緊湊型數(shù)字解決方案，其中使用所集成的 PWM 之一來驅(qū)動控制回路中的半橋 MOSFETS（圖 1）。 
圖 1：Microchip Technology 的 DC/DC LLC 諧振變換器參考設(shè)計依靠單個 dsPIC33 DSC，對作為電源轉(zhuǎn)換設(shè)計核心的控制回路進行數(shù)字化管理。（圖片來源：Microchip Technology） 在圖 2 中，諧振變壓器將 MOSFET 驅(qū)動器 (D) 的初級側(cè)高電壓（黑線）與次級側(cè) 12 V 電源（藍線）隔離，并與 dsPIC33 DSC 和其他模擬 (A) 元器件的 3 V 電源隔離。
圖 2：dsPIC33 DSC 通過其專門的外設(shè)，幫助簡化設(shè)計和減少零件數(shù)量，其在此處使用集成的 PWM 和外設(shè)功能來控制外部 MOSFETS (D) 和其他模擬 (A) 元器件。（圖片來源：Microchip Technology） 在此設(shè)計中，dsPIC33 使用基本的中斷驅(qū)動軟件設(shè)計來管理數(shù)字控制回路。此處使用 ADC 中斷來獲取軟件比例-積分-微分 (PID) 控制器中使用的輸出電壓。另一個 ADC 中斷支持溫度感應(yīng)，而 dsPIC33 的模擬比較器則支持過流和過壓事件檢測。事實上，執(zhí)行 PID 控制過程和相關(guān)的控制回路管理任務(wù)可留出大量的處理余量，以用于內(nèi)務(wù)處理和監(jiān)測任務(wù)，包括溫度監(jiān)測、故障監(jiān)測和通信，所有這些都按照一個簡單的固件處理序列進行（圖 3）。
圖 3：dsPIC33 DSC 的高性能 DSP 引擎和緊密耦合的外設(shè)使開發(fā)人員能夠用更簡單的代碼輕松實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字控制回路。（圖片來源：Microchip Technology） 對于希望打造更專業(yè)的數(shù)字電源解決方案的開發(fā)人員，Microchip 的數(shù)字電源設(shè)計套件支持從概念到為目標 dsPIC DSC 生成固件的整個設(shè)計過程。開發(fā)人員以 dsPIC DSC 硬件功能為基礎(chǔ)，使用該套件的數(shù)字補償器設(shè)計工具 (DCDT) 來分析控制回路，并使用 MPLAB 代碼配置器 (MCC) 來生成代碼，以便使用 Microchip 補償器庫中的優(yōu)化匯編代碼功能（圖 4）。
圖 4：開發(fā)人員可以利用 Microchip 的全面工具鏈來加速開發(fā)數(shù)字電源子系統(tǒng)的核心——基于軟件的優(yōu)化控制回路。（圖片來源：Microchip Technology） 無論是打造基于標準的器件（如無線功率發(fā)射器），還是實現(xiàn)更復(fù)雜的定制器件，汽車和電動汽車控制回路應(yīng)用的設(shè)計人員都需要實施緊湊型解決方案，以支持故障監(jiān)測等基準功能之外的其他功能。另一個參考設(shè)計說明了如何使用單核 dsPIC33CK DSC 在另一個重要的數(shù)字控制電源轉(zhuǎn)換（無線電力傳輸）應(yīng)用中提供一組豐富的功能。 實現(xiàn)符合 Qi 標準的無線功率發(fā)射器 無線充電聯(lián)盟 (WPC) 針對 5 至 15 W 無線電力傳輸制定的 Qi 標準，被智能手機和其他移動設(shè)備制造商廣泛采用；消費者只需將具有 Qi 功能的設(shè)備放在任何內(nèi)置有兼容無線發(fā)射器的表面，就能為該設(shè)備進行充電。Qi 無線功率發(fā)射器嵌入在汽車內(nèi)飾表面或第三方充電產(chǎn)品中，為智能手機提供了一種方便的充電方法，以免出現(xiàn)有線電源連接所造成的混亂和潛在干擾。Microchip Technology 的 15 W Qi 無線電源參考設(shè)計[3] 說明了如何使用 dsPIC33 簡化這類子系統(tǒng)的實現(xiàn)（圖 5）。
圖 5：dsPIC33 的集成外設(shè)可以獨立工作，以加速執(zhí)行關(guān)鍵控制任務(wù)，從而留出處理余量執(zhí)行其他任務(wù)，例如用戶界面、通信和更復(fù)雜應(yīng)用（如無線功率發(fā)射器）的安全性。（圖片來源：Microchip Technology） 參考設(shè)計以 Microchip Technology 的單核 dsPIC33CK256MP506 DSC 為基礎(chǔ)，利用此 DSC 的集成功能實現(xiàn)數(shù)字控制回路。雖然這種設(shè)計是基于全橋拓撲結(jié)構(gòu)，而非上文提及的諧振變換器中使用的半橋拓撲結(jié)構(gòu)，但該器件的多個 PWM 可以輕松滿足此額外要求。 無線功率發(fā)射器通常提供多個射頻 (RF) 線圈來傳輸電力，在本設(shè)計中，橋逆變器通過一個多路復(fù)用器 (MUX) 連接至三個線圈之一。與全橋逆變器和電壓調(diào)節(jié)前端一樣，該設(shè)計充分利用了 dsPIC33 的集成外設(shè)來管理線圈 MUX 切換。 dsPIC33 的外設(shè)除了控制 Microchip 的 MIC4605 和 MP14700 柵極驅(qū)動器外，還具有以下功能： · 通過 Microchip 的 MCP23008 I/O 擴展器控制電源指示燈發(fā)光二極管 (LED) · 通過 Microchip 的 MCP2221A USB 橋接器件提供 USB 連接 · 通過 Microchip 的 ATECC608 認證器件（Microchip 作為獲得授權(quán)的 WPC 制造商認證機構(gòu) (CA) 提供）支持符合 WPC 標準的安全存儲 · 通過 Microchip 的 ATA6563 CAN 靈活數(shù)據(jù)速率 (FD) 器件提供具有 ISO 2622 功能安全性的 CAN 連接 此外，該參考設(shè)計使用 Microchip 的 MCP16331 降壓轉(zhuǎn)換器和 MCP1755 線性穩(wěn)壓器來支持輔助電池供電。 該參考設(shè)計使用這個相對較少的 BOM，提供了一個符合 Qi 標準的解決方案，該方案具有無線電源系統(tǒng)的所有關(guān)鍵特性，包括高效率、擴展的充電區(qū)域、有用的 Z 距離（發(fā)射器和接收器之間的距離）、異物檢測，以及支持領(lǐng)先智能手機中使用的多種快速充電實現(xiàn)。開發(fā)人員以這種基于軟件的設(shè)計為基礎(chǔ)，可以輕松增加一些功能，例如發(fā)射器和接收器之間的專有通信協(xié)議，以及藍牙等無線連接選項。 實現(xiàn)緊湊型數(shù)字照明解決方案 dsPIC33 器件的集成功能在相關(guān)的汽車和電動汽車應(yīng)用中尤為重要，可以在應(yīng)用中增加一些復(fù)雜的功能但又不干擾車輛的線路。高強度 LED 的出現(xiàn)，讓汽車制造商能夠增強外部前照燈和內(nèi)部照明的設(shè)計感。 然而，這些照明子系統(tǒng)的開發(fā)人員通常必須將更多的功能塞進更小的封裝中，同時還要支持 DMX 等行業(yè)標準，該標準為照明設(shè)備鏈控制提供一種通用的通信協(xié)議。與上文提到的無線功率發(fā)射器設(shè)計一樣，緊湊型數(shù)字照明[4] 解決方案的設(shè)計利用了 dsPIC33 的集成外設(shè)（圖 6）。
圖 6：借助 Microchip Technology 的 dsPIC33 DSC，開發(fā)人員能夠以最小的占用面積和 BOM 來實現(xiàn)復(fù)雜的設(shè)計，這樣才能將功能不顯眼地嵌入到車輛中。（圖片來源：Microchip Technology） 與其他數(shù)字電源應(yīng)用一樣，此數(shù)字照明設(shè)計充分利用 dsPIC33 的集成 PWM、模擬比較器和其他外設(shè)，提供了完整的緊湊型數(shù)字照明解決方案。與上述設(shè)計應(yīng)用一樣，此數(shù)字照明解決方案依賴 dsPIC33 DSC 的處理能力及其外設(shè)獨立工作的能力，以監(jiān)測和控制所需的一組外部裝置，包括電源裝置、收發(fā)器、LED 等。其他 Microchip 設(shè)計實例證明，dsPIC33 DSC 在處理更復(fù)雜的數(shù)字控制算法和先進電機控制系統(tǒng)方面具有高性能處理能力。 使用單一 dsPIC33 DSC 實現(xiàn)先進的電機控制系統(tǒng) dsPIC33 DSC 的性能讓開發(fā)人員可以用單一 DSC，來處理核心數(shù)字控制回路以及各種輔助功能的執(zhí)行。事實上，Microchip 的雙電機設(shè)計[5] 展示了僅使用一個單核 dsPIC33CK DSC，就實現(xiàn)了一對永磁同步電機 (PMSM) 的無傳感器磁場定向控制 (FOC)。此設(shè)計的關(guān)鍵在于，為每個電機控制通道、電機控制 1 (MC1) 和電機控制 2 (MC2) 的逆變器提供的移相 PWM 信號（圖 7）。
圖 7：一個單核 dsPIC33CK DSC 可以憑借自身的高性能處理能力和集成外設(shè)，支持雙電機控制設(shè)計。（圖片來源：Microchip Technology） 在此方法中，dsPIC33CK 的 PWM 經(jīng)過配置，可為每個電機控制通道生成所需的波形，并在最佳時機觸發(fā)獨立的 ADC。當每個 ADC 完成轉(zhuǎn)換時，會發(fā)出中斷，導(dǎo)致 dsPIC333CK 對該組讀數(shù)執(zhí)行 FOC 算法。 單個 dsPI33CK DSC 也可以處理更強大的電機控制應(yīng)用。在高性能電動滑板車 (E-scooter) 的參考設(shè)計中，dsPIC33CK 為驅(qū)動無刷直流 (BLDC) 電機的三相逆變器，控制多個 FET 和 Microchip 的 MIC4104 柵極驅(qū)動器（圖 8）。
圖 8：使用單核 dsPIC33CK，開發(fā)人員只需幾個額外的元器件，就可以實現(xiàn)強大的電動滑板車電機控制子系統(tǒng)。（圖片來源：Microchip Technology） 電動滑板車參考設(shè)計[6] 支持無傳感器和傳感器工作模式，因為其能夠監(jiān)測 BLDC 電機的反電動勢 (BEMF) 以及霍爾效應(yīng)傳感器輸出。該設(shè)計可使用 18 至 24 V 的輸入電壓源，實現(xiàn) 350 W 的最大輸出功率。 在進一步擴展的設(shè)計中[7]，Microchip 展示了可新增用于 EV 和 HEV 的再生制動功能，以便在電機產(chǎn)生 BEMF 而電機端電壓高于車載電池的供電電壓時回收能量。在這里，增強的設(shè)計使用一個額外的 dsPIC33CK 引腳來監(jiān)測來自制動器的信號。當檢測到制動時，dsPIC33CK 首先關(guān)閉逆變器的高壓側(cè)柵極，將回收的電能提升到高于直流總線電壓的水平，然后關(guān)閉低壓側(cè)柵極，讓電流流回電源。 開發(fā)人員可以使用雙核 dsPIC33CH DSC 取代單核 dsPIC33CK 來擴展此設(shè)計，以支持更多功能。在這樣的設(shè)計中，一個核心能以最少的代碼更改來管理 BLDC 電機控制和再生制動功能，而另一個核心可以執(zhí)行額外的安全功能或高級應(yīng)用。借助雙核 dsPIC33CH，電機控制開發(fā)團隊和應(yīng)用開發(fā)團隊可以分開工作，并將其控制無縫整合到 DSC 上執(zhí)行。 對于定制電機控制設(shè)計，Microchip 的 motorBench 開發(fā)套件提供了圖形用戶界面 (GUI) 工具集，可幫助開發(fā)人員更準確地測量關(guān)鍵的電機參數(shù)，調(diào)整控制回路，并基于 Microchip 的電機控制應(yīng)用框架 (MCAF) 和電機控制庫生成源代碼。 結(jié)語 借助 Microchip Technology 的 dsPIC33 DSC，開發(fā)人員只需相對較少的額外元器件就能為傳統(tǒng)汽車和電動汽車應(yīng)用實現(xiàn)廣泛的數(shù)字電源設(shè)計。在豐富的軟件工具和參考設(shè)計的支持下，單核和雙核 dsPIC33 DSC 為快速開發(fā)電源轉(zhuǎn)換、無線充電、照明和電機控制等方面的優(yōu)化解決方案，提供了一個可擴展平臺。 來源：Digi-Key 作者：Stephen Evanczuk |
