专用MCU如何满足车载充电器设计需求

对于专注于电动汽车 (EV) 的工程师来说，解决“里程焦虑”至关重要。由内燃机 (ICE) 车辆的续航里程和加油体验决定，消费者的期望很难改变。电池容量是考虑因素之一。随着设计人员努力通过扩大储能容量和逐步提高效率来优化范围，它的尺寸和电压都在增加。车辆电子设备（尤其是线束）的尺寸和重量也是优化的目标。这些因素对每次充电的车辆行驶里程有重大影响；然而，它们是一把双刃剑。电池越大，充电时间越长；在越野旅行中在充电站停车 4 小时是不可能的。

更高的直流母线电压需要采用不同的能量转换技术；车辆模块必须展现出符合 ISO 26262 标准的安全且可靠的尖端性能。此外，某些关键性能指标 (KPI) 目标，例如提高能量密度 (kW/l) 和比功率 (kW/kg)，使得 OBC 等系统的设计更具挑战性。

图 1：OBC 是电动汽车能源价值链的关键部分。

OBC架构

车载充电器 (OBC) 是能源“价值链”的关键部分（图 1）。电池的大小决定了OBC的输出功率额定值；其主要作用是将电网的能量转换成电池管理系统（BMS）用来给电池组充电的直流电。OBC 必须在遵守严格的排放要求并满足其 KPI 的同时做到这一点。

图 2：电源设计人员在电动汽车中采用不同的 OBC 架构

设计人员采用不同的架构来实现他们的目标（图 2）。他们根据多个目标来选择方法，包括输入功率的性质（相数）、成本/效率目标，以及设计是否需要支持车辆到电网 (V2G) 能量传输（需要双向架构） 。另一方面，模块体积和重量很大程度上取决于电容器、电感器和变压器等分立元件（图 3）。这些组件限制了能量密度性能。

图 3：以上示例显示了基于 SiC 的 OBC 参考设计

800V 或更高电压的电动汽车中更高电压的出现推动了宽带隙 (WBG) 半导体技术在能量转换应用中的使用；尤其是那些连接到直流母线的设备，包括 OBC、BMS 和牵引逆变器。对于 OBC，碳化硅 (SiC) 或氮化镓 (GaN) 正在成为支持更高电压和额定功率的首选技术。

SiC 非常理想，因为它支持在非常高的电压和温度下高效运行。它还降低了成本和尺寸，因为它需要体积较小且便宜的冷却装置。SiC 和 GaN 支持比硅更高的开关频率，并且当与更快的控制环相结合时，WBG 器件可以显着缩小图 3 中所示分立元件的空间要求。接下来，具有增强数字控制功能的先进微控制器架构可支持更快的开关和控制环路，从而提供有助于实现能量密度和成本等设计目标的集成水平。

传统MCU的缺点

当然，电动汽车系统提出了独特的挑战，必须通过量身定制的解决方案来解决。这在微控制器的选择上是显而易见的。传统的汽车 MCU（例如专为 ICE 车辆动力系统设计的 MCU）并不是为支持电气化设计要求所需的基本数字、模拟和系统级功能而设计的。例如，大多数传统汽车 MCU 无法支持高开关频率，无法获得 WBG 技术的优势。

图 4：传统的 MCU 并非旨在支持 WBG 晶体管的更高开关频率。

许多传统汽车 MCU 支持低于 150 kHz 的 PWM 开关频率，但缺乏 PWM 分辨率，无法利用 OBC 中关键的 WBG 技术来实现功率因数校正 (PFC) 和 DC-DC 转换器级。例如，一些 200 MHz MCU 为定时器/PWM 提供低至 80 MHz 的输入时钟。在这种情况下，如果所需的 PWM 频率为 150 kHz，则 MCU 将仅支持 9 位 PWM 分辨率。

对于 OBC，此功能不适合基于硅 MOSFET 的实现，更不用说 WBG 器件了。虽然图 4 强调了开关频率的重要性，但 PWM 分辨率也是一个重要方面，因为它在很大程度上决定了根据模数转换器 (ADC) 测量的输入参数激活/停用开关的时序。

为了充分发挥 SiC/GaN 器件的潜力，设计必须优化控制环路。这需要具有高分辨率的更快 PWM、精确的死区时间控制、更快的 ADC 和更快的计算以减少控制环路时序。此外，ADC 采样应与 PWM 输出控制同步。因此，MCU 的功能对 OBC 重量、占地面积和成本有重大影响。图 5 显示了使用传统 MCU 的 OBC 的高级框图。该系统采用外部 DSP 进行控制环路，并采用外部比较器进行保护。

图 5：框图显示了使用传统 MCU 的典型 OBC 系统

在典型的 PFC 或 DC-DC 控制环路中，MCU 测量电压和电流。接下来，MCU 和 DSP 对这些测量值运行算法，然后控制 PWM 的占空比。控制环路时序取决于：

• 电压/电流采样率

• 计算吞吐量

• 反应时间

控制/监控 OBC 中的电压/电流需要高 ADC 采样率以及通过数学加速器增强的良好 CPU 吞吐量 (DMIPS)。这些决定了算法的执行时间。PWM 通道的数量和相关分辨率决定了输出控制的速度和精度以及器件中转换器级的集成水平。例如，采用并联输出级来提高输出功率；这种配置需要同时对两级进行电流和电压采样。这需要四个 ADC 实例；因此，不仅通道数量很重要，实例数量也很重要。

虽然硅 MOSFET 需要更长的死区时间才能最大限度地减少开关损耗，但 SiC/GaN 可以缩短死区时间。短死区时间增加了一个周期内可以从输入传输到输出的功率。大多数传统 MCU 无法支持这些短的死区时间。

OBC 必须包括针对过流、过压和过热情况的保护。通常，模拟比较器用于检测这些故障并尽快控制输出以避免损坏。这些比较器需要非常快的响应时间。不是专门为这些应用构建的 MCU 可能没有比较器，或者响应时间太长，导致它们不适合在 OBC 中实施保护。即使使用外部比较器来实现保护机制，它们也需要数模转换器 (DAC) 来生成参考，并且大多数 MCU 通常没有任何或足够的外部 DAC。此外，使用外部比较器会增加解决方案的占地面积和成本。

超越控制循环机制

除了控制环路和保护机制之外，还应仔细检查其他方面。

• 无线 (OTA) 固件升级支持

• 功能安全（ISO 26262）

• 安全

汽车设计周期正在加快，原始设备制造商必须不断提供新功能以跟上竞争的步伐；因此，车辆正在变得“软件定义”。这使得固件支持的功能能够货币化。这些方面都需要售后固件升级的支持；因此，MCU必须支持OTA更新。

汽车设计还需要功能安全。尽管每个 OBC 的设计要求可能有所不同，但在大多数情况下，系统必须支持 ASIL-B 到 ASIL-D。并非所有 MCU 都支持锁步内核，而其他 MCU 则禁止使用独立执行。设计人员能够选择内核的锁步或独立执行，从而提供了更大的灵活性来支持各种安全完整性级别。这使得设计能够针对成本和可扩展性进行优化。

而且，对于联网汽车来说，网络攻击的风险更大。因此，OBC 可能需要 Evita Lite 或 Evita Medium 安全性来应对此类威胁。这种安全性对于连接到电网的车辆尤其重要。

为了促进电气化，一些 MCU 供应商提供了满足这些新要求的设备。Stellar E1 (SR5E1)就是一个例子，它将标准 MCU 和 DSP 功能集成到单个设备中，为 OBC 提供单芯片解决方案。图 6 显示了 OBC 实现的高级框图。

图 6：高级框图显示了使用 Stellar E1 MCU 的三相双向 OBC

Stellar E1 是一款符合 AEC-Q100 标准的 MCU，包含 2 个 Arm Cortex-M7 内核，因此在双向 OBC 实现中，一个内核可用于 PFC 环路，另一个内核可用于 DC-DC 级。为了支持快速控制循环，Stellar E1 包含一个 CORDIC 数学加速器。该 MCU 包含 12 个分辨率为 104 ps 的高分辨率定时器，支持大于 1 MHz 的 PWM 开关频率以及精确的死区时间控制。高分辨率定时器与快速计算能力相结合，取代了外部 DSP。

这些器件还包括片上快速比较器以实现保护。此外，它们还提供 2.5 MSPS 12 位 SAR ADC，在双模式下提供高达 5 MSPS，可提升控制环路性能。设备中的两个 MCU 内核可以独立运行（对于 ASIL-B 系统），或者如果需要更高的安全性，可以以锁步模式运行。

Stellar E1 微控制器实现 A/B 交换 OTA 固件升级，促进现场升级。此外，硬件安全模块 (HSM) 子系统提供高达 EVITA 中等的安全性来管理网络安全。

专用MCU

更高的开关频率可提高 OBC 的功率密度，从而减轻重量、空间和成本。专为 OBC 定制的 MCU 无需外部 DSP/DSC，并包含能够高速切换和诊断的外设。OBC 需要快速控制回路，涉及复杂的计算和通过各种传感器的紧密耦合反馈；因此，数学加速器和快速 ADC 至关重要。

经常需要的其他功能包括高速比较器以及对固件升级、安全性和安保的支持。在这里，Stellar E1 等专门为电动汽车打造的 MCU 可以解决 OBC 系统设计的关键痛点。如果您需要采购意法半导体 MCU产品，请联系我们，客服微信：13310830171。