MCU增强DC/DC转换器输出

singer

　　卓越的DC/DC转换器离不开卓越的控制器。Spansion半导体的新技术利用MCU的数字处理能力成功缩减了组件的数量，它能够利用软件平台轻松灵活地满足系统要求，而且还能通过车载网络向驾驶员显示故障信息，从而简化了车辆的维护工作。
　　混合动力汽车（HV）、纯电动汽车（EV）等往往通过使用一台由高压锂电池驱动的电动机获取动力，环保汽车市场的发展离不开高效的锂电池技术。而为了实现最高效率，我们通常需要使用一个DC/DC转换器将这台动力强劲的直流电动机的驱动电压提升至数百伏。与此同时，HV和EV通常使用与燃油汽车相同的电子控制单元来实现车身控制、仪表盘信息显示等功能，这意味着这些电子控制单元需要使用12V电源。因此，还需要使用一个DC/DC转换器将锂离子电池的数百伏输出电压降至标准的12V直流电压。如图1所示，在一台环保汽车中，一个转换器将锂离子电池的输出电压提升至数百伏直流电压（橙色），用以驱动电动机；同时将输出电压降至12V直流电压DC，用以驱动ECU（浅蓝色）。
　　由于ECU负责执行各种关键性任务，因此，DC/DC转换器对于确保车辆的安全运行至关重要。此外，该转换器还必需高效，而且即使在电池电压发生波动时，也必须为ECU提供稳定的电源。其电路设计必须足够精准、高效和紧凑，适合空间受限的汽车系统。最重要的是，它必须可靠，因为ECU的任何一个故障都可能导致车辆失控、损坏甚至人员伤亡。
　　

　　然而，卓越的DC/DC转换器离不开卓越的控制器。Spansion半导体的新技术利用MCU的数字处理能力成功缩减了组件的数量，它能够利用软件平台轻松灵活地满足系统要求，而且还能通过车载网络向驾驶员显示故障信息，从而简化了车辆的维护工作。
　　数字化的优势
　　为了更好地了解MCU如何影响数字DC/DC转换器的运行和功能，让我们以Spansion MB91550为例。这款MCU能够同时实现两个控制环，一个用于控制输出电压，另一个用于控制电流（见图2）。这个以200MHz时钟频率运行的MCU能够生成一个精准的PWM波形，而后者是保持精准控制的关键所在。对转换器PWM输出的周期进行相位调整能够让其实施功率因数控制（PFC）。另外，此款MCU还符合ISO26262定义的功能安全要求。
　　让我们仔细研究一下整个过程。一个12位A/D转换器对电压进行数字化处理，然后，一个配有FPU的32位CPU设定一个比较器参考值和一个斜率补偿值，目的是将电压降至目标电压（见图3）。这个斜率补偿值通过一个10位D/A转换器被发送到电流反馈环的斜率补偿单元。经过CPU处理后，电流进入一个比较器，后者检查其与预先设定的参考值的偏离。转换器根据检查结果调整当前转换周期的PWM输出的工作周期。如果电流大于上述参考值，则表示发生了过流情况，MCU将切换至“off”状态，同时修改被控制的PWM输出。
　　

　　完整控制PWM工作周期
　　斜率补偿电路和专用比较器让MCU能够控制DC/DC转换器的PWM工作周期，而且无需等待下一个工作周期。这是MCU的一大优势：转换器能够响应实际电动机负载的快速波动，并检测目标系统的电流和电压。PWM输出电路支持一个发电机空载计时器和用于波形控制的相移功能（见图4）。
　　

　　展望未来
　　HV和EV是未来环保汽车市场的重要组成部分。本文重点关注了车用MCU，但实际上，市场上还存在各种各样的直流设备和系统，例如，需要电源管理的太阳能电池板等。我们在此探讨的MCU类型可被应用于众多同类系统，用以提升它们的效率、性能和安全性。
　　微控制器不仅能够助力打造一个高效的社会，而且还能打造一个安全的社会。为了实现这个愿景，未来的数字电子器件应能在很多方面从容应对以下趋势和挑战：
　　（1）在不远的将来，所有事物都将联网。汽车对于交通而言非常重要，但如果不能很好地抵御网络攻击，它们也会成为威胁。MCU等数字组件需要保护车辆免遭外部网络攻击（见图5）。
　　（2）基于模型的开发（MBD）能够通过代码自动生成大幅缩短嵌入式软件的开发时间。在模拟环境中，我们甚至能够在获得实物系统之前测试各类安全隐患。通过分析系统对标准测试中可能不会出现的各种异常事件的响应，模拟环境能够帮助我们开发出更安全的系统。
　　（3）集成能够降低成本，同时优化性能。