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作者：德州儀器 電力電子產品設計人員致力于提升工業和汽車系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。 這些系統的主要設計挑戰之一是在降低系統成本的同時，實現更出色的實時控制性能。要應對這一挑戰，常用的方法是使用擁有超低延遲控制環路處理功能的模擬和控制外設的高度集成的微控制器 (MCU) 。 實時控制性能：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、具有儲能系統的光伏逆變器、電動汽車充電站和電動汽車中，控制性能與 MCU 對信號進行采樣、處理和控制的速度直接相關。圖 1 展示了實時信號鏈和信號延遲之間的關系，信號延遲指從模數轉換器 (ADC) 測量信號，到 CPU 處理信息，以及脈寬調制器 (PWM) 控制功率的時間。這個時間需要盡可能小，才能實現超低延遲控制環路處理。 
圖 1：實時性能和延遲的概念 對于數字電源來說，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 運行并且穩壓環路同步到 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，可用于檢測流程控制的時間縮短，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系統中實現下一代電源 如圖 2 所示，光伏逆變器市場不斷發展，出現了集成儲能系統的混合逆變器，帶來了控制雙向能量轉換的挑戰。單芯片架構需要使用具有許多高分辨率 PWM 通道和額外高帶寬 ADC 輸入的 MCU，例如 TMS320F28P650DK C2000™ 32 位 MCU。
圖 2：集成了儲能系統的光伏逆變器架構 為滿足許多應用中對可再生能源不斷增長的需求，光伏逆變器需要更高的功率效率和更好的總諧波失真性能。一種方法是使用更新的多相多級逆變器電源架構。這類架構通常通過一組復雜的電源算法和額外的外部邏輯（例如復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系統成本。 能在不同 PWM 模塊中支持板載定制、最小死區和非法組合邏輯（用于防止破壞性上電/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。基于電源拓撲，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谷值電流模式控制的 PWM 單元。 在電動汽車車載充電器中實現更輕松、更快速的集成 隨著全球電動汽車數量的增長，設計人員需要找到新的解決方案，以便使車載充電器進一步集成并降低其成本。典型的實現方案為兩個彼此隔離的 MCU，一個用于車載充電器功率因數校正，另一個用于車載充電器 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 控制高達 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 控制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）后，您可能還希望在降低 CPU 開銷的同時，實現更多的軟件集成。由于集成可以實現對單個器件上更多信號的采樣，選擇的 MCU 如包含內置基于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，并能夠更快運行控制環路。 另一個挑戰是對具有不同實時限制的多個任務進行軟件集成：PFC、DC/DC 以及輔助控制和安全性需要共存，這讓軟件開發變得更加復雜。 從單核 MCU 轉向多核 MCU 架構并在 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制環路頻率，例如，一個內核用于控制 PFC，另一個用于運行兩個 CLLLC。每個內核以不同的獨立頻率運行控制環路：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于實現更可靠、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制環路），無需外部監控元件，還可以降低成本。 電動汽車將在數分鐘內充滿電，每個家庭都將使用光伏和儲能系統，工廠將使用更多高效的機器人并實現能源足跡更少的自動化……實時控制 MCU 的創新將為實現更清潔、更安全、更高效的世界鋪平道路。 |
