實(shí)時(shí)處理如何驅(qū)動(dòng)高性能電源系統(tǒng)

該實(shí)時(shí)控制系列的前一部分重點(diǎn)介紹了實(shí)時(shí)控制信號(hào)鏈的傳感功能塊（圖 1）。很容易誤解第二個(gè)功能塊（處理），并假設(shè)它僅與核心中央處理單元 (CPU) 頻率或每秒百萬(wàn)條指令 (MIPS) 相關(guān)，僅關(guān)注數(shù)據(jù)處理。在本系列文章中，我將通過(guò)高性能電源系統(tǒng)的視角展示處理的價(jià)值，并消除對(duì)處理在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的作用的任何誤解。

不斷增長(zhǎng)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

如圖 2 所示，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(shū)“結(jié)合使用 TI GaN FET 和 C2000Tm 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(guò)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(wú)橋功率因數(shù)校正（使用較少的無(wú)源耗能器件）或軟開(kāi)關(guān)控制（例如零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)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(guò)更快的控制環(huán)路來(lái)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。

圖 2：數(shù)據(jù)中心不間斷電源的性能驅(qū)動(dòng)因素

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(guò)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(wèn)、快速中斷響應(yīng)、經(jīng)過(guò)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(zhuān)用邏輯（脈寬調(diào)制器 [PWM] 和比較器），可在限制下沖或過(guò)沖條件時(shí)提供故障或故障檢測(cè)響應(yīng)。

高功率密度

圖 3 展示了直流/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(mǎn)足分布式電源開(kāi)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(méi)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(lái)實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率并滿(mǎn)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(shū)“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?，以及可配置邏輯塊等其他功能部件，可以進(jìn)一步增強(qiáng)處理能力。

圖 3：具有減小外形尺寸趨勢(shì)的直流/直流轉(zhuǎn)換器

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(wèn)、單周期確定性執(zhí)行、八相并行流水線(xiàn)總線(xiàn)、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。請(qǐng)參閱應(yīng)用手冊(cè)“展示 C2000 控制 MCU 優(yōu)化信號(hào)鏈的實(shí)時(shí)基準(zhǔn)測(cè)試”，獲取更多信息。

結(jié)語(yǔ)

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(lái)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(zhuān)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(mǎn)足當(dāng)今全面的系統(tǒng)需求，以及面向未來(lái)的可擴(kuò)展解決方案。