實(shí)時(shí)MCU如何實(shí)現(xiàn)超低延遲

本文介紹實(shí)時(shí) MCU 如何實(shí)現(xiàn)超低延遲。

實(shí)時(shí)控制也是實(shí)現(xiàn)高效可靠電源系統(tǒng)的基礎(chǔ)。例如，實(shí)時(shí)控制有助于使充電站保持穩(wěn)定的輸出功率，并調(diào)節(jié)流入汽車電池的電流，從而保證電池壽命并避免過熱。將實(shí)時(shí)控制與MCU和GaN等新技術(shù)相結(jié)合，可提高功率密度和效率，有助于充分降低應(yīng)用的功率損耗。

現(xiàn)代電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能持續(xù)提高，因此對(duì)實(shí)時(shí)控制的要求也日益嚴(yán)格。例如，高精度高速計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)械(控制磨床和車床等各種復(fù)雜機(jī)床的機(jī)械)可在轉(zhuǎn)速超過 20,000RPM的情況下實(shí)現(xiàn)低于5μm的精度。只有非常快的控制環(huán)路才能實(shí)現(xiàn)上述功能，這意味著信號(hào)測(cè)量和系統(tǒng)調(diào)整之間的延時(shí)時(shí)間通常不到1μs。

鑒于高度時(shí)間敏感的計(jì)算需求，許多設(shè)計(jì)人員都采用了現(xiàn)場可編程門陣列、外部快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器和多個(gè)MCU的組合。但是TI的C2000 MCU和Sitara處理器可提高模擬集成度，從而在不到 1μs 的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行電流環(huán)路，即快速電流環(huán)路。通過在現(xiàn)代控制拓?fù)渲谐浞掷每焖匐娏鳝h(huán)路，設(shè)計(jì)人員能夠以更低的成本開發(fā)尺寸更小、性能更高的系統(tǒng)。

使用完全集成式解決方案，比如TI的 MCF8316電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，還可進(jìn)一步降低成本。 這類器件采用預(yù)編程、只需微調(diào)的無刷直流電機(jī)控制算法，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，通過MCU的簡單I2C接口配置集成的電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器即可實(shí)現(xiàn)。它們還提供有硬件配置，支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在沒有MCU的情況下調(diào)整電機(jī)。MCF8316集成了六個(gè)為電機(jī)提供電流的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，實(shí)現(xiàn)了采用7mm x 5mm封裝的完整實(shí)時(shí)電機(jī)控制解決方案。

實(shí)時(shí)控制是電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、電器、電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、電力輸送、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和機(jī)器人等應(yīng)用領(lǐng)域的重要組成部分。為進(jìn)一步提高響應(yīng)速度，上述所有應(yīng)用需要不斷縮短執(zhí)行動(dòng)作的時(shí)間窗口。TI全套的檢測(cè)、處理、控制和通信技術(shù)可提供高電源效率和性能以及低延遲響應(yīng)時(shí)間，有助于實(shí)現(xiàn)更小、更可靠的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。

不斷增長的能源利用(尤其是在電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和電力輸送應(yīng)用中)需要高效、緊湊和穩(wěn)定的電源系統(tǒng)。這一要求已經(jīng)引起了電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的革命，以提供高能效、快速瞬態(tài)響應(yīng)、高功率密度和更大電源容量。

高功效

數(shù)據(jù)中心的不間斷電源必須連續(xù)運(yùn)行。正如白皮書“結(jié)合使用 TI GaN FET 和 C2000實(shí)時(shí) MCU 實(shí)現(xiàn)功率密集且高效的數(shù)字電源系統(tǒng)”中所討論的，效率的提高可以迅速減少財(cái)政支出，通過更小的散熱器減小解決方案尺寸，并減少溫室氣體排放。但是，為了實(shí)現(xiàn)這些好處，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能具有挑戰(zhàn)性，例如圖騰柱無橋功率因數(shù)校正(使用較少的無源耗能器件)或軟開關(guān)控制(例如零電壓開關(guān)和零電流開關(guān))。

高性能實(shí)時(shí)微控制器 (MCU)(有些甚至帶有片上硬件加速器)可以通過更快的控制環(huán)路來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。為了將其提升到一個(gè)新的水平，配備快速片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和定制后處理功能的實(shí)時(shí) MCU 可以進(jìn)一步處理準(zhǔn)確、快速的采樣以及電流和電壓的轉(zhuǎn)換，從而減少整體實(shí)時(shí)信號(hào)鏈的延遲。

快速瞬態(tài)響應(yīng)

服務(wù)器電源應(yīng)用需要在不斷變化的負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，因此需要快速的瞬態(tài)響應(yīng)。有幾種控制方案可以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。由 C2000 和 GaN 實(shí)現(xiàn) CCM 圖騰柱 PFC 和電流模式 LLC 的 1kW 參考設(shè)計(jì)展示了其中一種方案，其目標(biāo)是展示快速響應(yīng)時(shí)間(目前的目標(biāo)壓擺率接近 2.5A/μS 至 5A/μS)。實(shí)時(shí) MCU 通過以下方法在檢測(cè)和執(zhí)行現(xiàn)實(shí)之間實(shí)現(xiàn)超低延遲：定義具有高 CPU 頻率/MIPS 的快速處理、對(duì)外設(shè)寄存器的快速訪問、快速中斷響應(yīng)、經(jīng)過優(yōu)化的控制代碼指令集、實(shí)時(shí)信號(hào)鏈支柱的緊密硬件耦合，以及 CPU 外部的專用邏輯(脈寬調(diào)制器 [PWM] 和比較器)，可在限制下沖或過沖條件時(shí)提供故障或故障檢測(cè)響應(yīng)。

高功率密度

直流/直流轉(zhuǎn)換器通常需要在更小的空間內(nèi)提供更大的電源容量，這不僅是為了降低系統(tǒng)成本，也是為了滿足分布式電源開放標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟等監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)(目標(biāo)低至 1/32 格式占地面積(0.69 平方英寸))。在微型外形尺寸下，在沒有散熱器的情況下減少散熱成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)，而采用氮化鎵和碳化硅等寬帶隙功率器件來實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率并滿足這些小設(shè)計(jì)尺寸可能會(huì)更加麻煩。憑借其固有的架構(gòu)和片上數(shù)學(xué)增強(qiáng)器，實(shí)時(shí) MCU 的處理能力使復(fù)雜的時(shí)間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)計(jì)算成為可能。額外的馬力提供了額外的計(jì)算能力，封裝了更多功能(例如降低有源噪聲)，因此也封裝了電磁干擾濾波器，這是白皮書“了解提高功率密度的利弊權(quán)衡和所需技術(shù)”中強(qiáng)調(diào)的眾多解決方案之一。此外，定制的 PWM 和比較器模塊(超出核心處理元件)，具有高分辨率、消隱窗口、延遲跳閘、峰值電流模式控制的斜坡補(bǔ)償?shù)裙δ埽约翱膳渲眠壿媺K等其他功能部件，可以進(jìn)一步增強(qiáng)處理能力。

實(shí)時(shí) MCU 如何實(shí)現(xiàn)必要的處理能力

高效地支持當(dāng)今的高性能電源系統(tǒng)是控制器的不同之處。TI 實(shí)時(shí) MCU 提供雙存儲(chǔ)器訪問、單周期確定性執(zhí)行、八相并行流水線總線、卓越的存儲(chǔ)器執(zhí)行吞吐量、高效的加速器和統(tǒng)一的存儲(chǔ)器映射。其中一些還擁有協(xié)處理器或多核支持，以靈活地實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)，以及實(shí)現(xiàn)安全、診斷、自適應(yīng)算法和輔助控制任務(wù)的余量。

結(jié)語

盡管復(fù)雜的控制算法使電源系統(tǒng)具有低 THD、高功率密度和效率以及快速瞬變，但實(shí)際實(shí)現(xiàn)需要的不僅僅是數(shù)學(xué)功能和控制器帶來的更高兆赫速度。由于從傳感到驅(qū)動(dòng)的時(shí)序在定義性能方面也起著至關(guān)重要的作用，專為超低延遲而設(shè)計(jì)的具有高 CPU 性能、靈活 PWM 和快速準(zhǔn)確傳感的實(shí)時(shí) MCU 可以滿足當(dāng)今全面的系統(tǒng)需求，以及面向未來的可擴(kuò)展解決方案。

審核編輯：湯梓紅