如何使用数字信号控制器打造更好的汽车和电动汽车系统
作者：Stephen Evanczuk
传统的汽车和电动汽车系统都依赖无数电子器件的有效运行，才能实现便利功能和任务关键型功能安全能力。虽然这些不同的应用具有广泛的需求，但在根本上都需要能够在极端条件下运行，同时又能提供可靠、高性能的实时响应。
因此，开发人员迫切需要一种稳定、强大、受到良好支持且可扩展的平台，其能够帮助简化不断扩充的汽车和电动汽车用例的设计和开发。
本文将讨论 Microchip Technology 能满足这些要求的数字信号控制器 (DSC) 系列，并介绍如何使用这些 DSC 在参考设计中实现汽车和电动汽车系统的必备功能。
多样化的设计挑战需要灵活的解决方案
无论是为传统汽车还是电动汽车进行设计，开发人员都需要满足越来越多的应用需求，包括电源转换子系统、车载无线充电、数字照明系统，以及电机控制系统——从相对简单的步进电机应用到电动汽车 (EV) 和混合动力电动汽车 (HEV) 的复杂再生制动系统。汽车制造商努力提高安全性、便利性、功能性和性能，以应对消费者的需求和竞争压力，在此过程中，除了任务关键型功能安全要求，设计的占用面积和物料清单 (BOM) 要求也越来越重要。
为了满足这些要求，该行业已针对几乎所有的车辆子系统迅速改用数字解决方案。传统载客车辆中的子系统早已依赖微控制器 (MCU)，MCU 所运行的软件代码数要比商用飞机多四倍[1]。
然而，随着需求和竞争压力的不断增大，早期的微控制器解决方案可能无法满足汽车设计人员现在面临的一系列要求。越来越多的电子子系统和相关的高压 DC/DC 转换功能需要不同的电源轨，特别是在电动汽车中，这就需要更复杂的数字控制能力。移动设备的车载无线充电等其他应用，则带来了一系列全新的设计要求，以构建多线圈无线功率发射器，从而与更多消费型设备中内置的行业标准功率接收器兼容。车辆照明设计需要考虑调光、温度、元器件老化等技术特性，以提供更明亮的前照灯、令人愉悦的颜色和仪表盘的调光效果。最后，即使在传统汽车中，精密的数字控制电机也普遍存在，这显然为电动汽车提供了功能基础。
Microchip Technology 的 dsPIC33 DSC 系列专门为满足这些多样化的要求而设计，其成员具有专用的功能。该系列的最新成员 dsPIC33C 扩展了 dsPIC33E 和 dsPIC33F DSC 的性能和功能，可供开发人员用于更复杂的应用。
这些 DSC 基于数字信号处理器 (DSP) 内核，结合了 MCU 的简单性和 DSP 的性能，可满足不断变化的高性能、低延迟、实时能力等要求，同时保持最小的占用面积和 BOM。开发人员借助 Microchip 广泛的 dsPIC33 开发板、参考设计和软件开发工具生态系统，可以利用 dsPIC33 系列的不同成员来扩展设计，提供作为汽车和电动汽车系统核心的广泛应用。
为汽车和电动汽车设计提供更有效的硬件基础
软件型高速数字控制回路是许多汽车子系统的基础，而 Microchip 的 dsPIC33C 系列是专门为减少延迟和加快执行此回路而设计。为了提供这种功能，这些器件集成了 DSP 引擎、高速寄存器，以及紧密耦合的外设，包括多个模数转换器 (ADC)、数模转换器 (DAC)、模拟比较器和运算放大器。
DSP 引擎的单周期 16 x 16 乘积累加运算 MAC（40 位累加器）、零开销循环和桶形移位等功能确保了数字控制回路的高速执行。外设功能可使精密控制回路接口独立工作，例如 150 ps 分辨率的脉冲宽度调制器 (PWM)、捕捉/比较/PWM (CCP) 定时器、外设触发信号发生器和用户可编程的可配置逻辑单元。
这类器件采用小至 5 x 5 mm 的封装，具有广泛的片上功能，有助于开发人员实现最小的占用面积和 BOM，以满足时尚汽车系统对缩减器件尺寸的要求。这类器件进一步简化了汽车设计，支持多种通信接口，包括控制器区域网络 (CAN)、本地互连网络 (LIN) 和先进汽车系统中使用的数字多路复用 (DMX)。此外，这类器件在单核和双核配置中都有不同的内存大小，可为先进的汽车和电动汽车应用提供所需的可扩展解决方案。
这些零件适用于严苛的汽车环境，符合 AEC-Q100 0 级标准，能够满足引擎盖下操作的严格要求，支持 -40°C 至 +150°C 的扩展温度范围。对于任务关键型汽车设计最为重要的是，选定的 dsPIC33 系列成员具有所需的功能安全性，能够轻松满足相关安全规格，包括 ISO 26262（ASIL A 或 ASIL B），IEC 61508 (SIL 2) 和 IEC 60730（B 类）。这些 dsPIC33 系列成员集成了专门的安全硬件功能，包括程序监控定时器、看门狗定时器、故障安全时钟监控、随机存取存储器 (RAM)、内置自检 (BIST) 和纠错码。
在软件开发方面，Microchip 的 MPLAB XC C 编译器通过了 TüV SUD 功能安全认证，在某些情况下还提供有诊断软件库。此外，Microchip 还提供安全认证过程中所需的相关故障模式、影响和诊断分析 (FMEDA) 报告和安全手册。
功能安全认证所需的硬件安全功能和开发能力，只是内容丰富的开发生态系统的一部分，支持基于 dsPIC33 的传统汽车和电动汽车设计。Microchip 在其 MPLAB X 集成开发环境 (IDE) 的基础上，为不同的应用领域提供了一套广泛的专门设计工具和库，如下文所述。
为了帮助进一步加快使用 dsPIC33 系列进行开发，Microchip 提供了内容丰富的 dsPIC33 开发板生态系统，以及可下载的设计资源，包括白皮书、应用说明和参考设计。在这些资源中，有几个 dsPIC33C 参考设计可满足汽车和电动汽车的几个关键应用领域，包括无线充电、数字照明、电源转换和电机控制。除了展示 dsPIC33C DSC 在各个领域的使用外，这些参考设计和相关软件也可以作为实现定制设计的起点。
实现用于电源转换的精密数字控制回路
控制回路是许多汽车和电动汽车应用的核心，它们在这些应用中最关键的用途之一是满足电源转换的基本需求。高效的直流-直流转换在传统汽车系统中仍然很重要，在高压电动汽车和混合动力汽车中也是必不可少的。在这些系统中，200 V 至 800 V 的电池电压需要安全有效地降到所需的 12 V 或 48 V 水平，以运行外部和内部照明，以及雨刷器、窗户、风扇和泵的动力马达。
在 200 W 的 DC/DC LLC（三个电抗元件：两个电感和一个电容）谐振变换器参考设计中[2]，单个 dsPIC33 器件实现了一个用于开关模式电源转换的紧凑型数字解决方案，其中使用所集成的 PWM 之一来驱动控制回路中的半桥 MOSFETS（图 1）。
图 1：Microchip Technology 的 DC/DC LLC 谐振变换器参考设计依靠单个 dsPIC33 DSC，对作为电源转换设计核心的控制回路进行数字化管理。（图片来源：Microchip Technology）
在图 2 中，谐振变压器将 MOSFET 驱动器 (D) 的初级侧高电压（黑线）与次级侧 12 V 电源（蓝线）隔离，并与 dsPIC33 DSC 和其他模拟 (A) 元器件的 3 V 电源隔离。
图 2：dsPIC33 DSC 通过其专门的外设，帮助简化设计和减少零件数量，其在此处使用集成的 PWM 和外设功能来控制外部 MOSFETS (D) 和其他模拟 (A) 元器件。（图片来源：Microchip Technology）
在此设计中，dsPIC33 使用基本的中断驱动软件设计来管理数字控制回路。此处使用 ADC 中断来获取软件比例-积分-微分 (PID) 控制器中使用的输出电压。另一个 ADC 中断支持温度感应，而 dsPIC33 的模拟比较器则支持过流和过压事件检测。事实上，执行 PID 控制过程和相关的控制回路管理任务可留出大量的处理余量，以用于内务处理和监测任务，包括温度监测、故障监测和通信，所有这些都按照一个简单的固件处理序列进行（图 3）。
图 3：dsPIC33 DSC 的高性能 DSP 引擎和紧密耦合的外设使开发人员能够用更简单的代码轻松实现复杂的数字控制回路。（图片来源：Microchip Technology）
对于希望打造更专业的数字电源解决方案的开发人员，Microchip 的数字电源设计套件支持从概念到为目标 dsPIC DSC 生成固件的整个设计过程。开发人员以 dsPIC DSC 硬件功能为基础，使用该套件的数字补偿器设计工具 (DCDT) 来分析控制回路，并使用 MPLAB 代码配置器 (MCC) 来生成代码，以便使用 Microchip 补偿器库中的优化汇编代码功能（图 4）。
图 4：开发人员可以利用 Microchip 的全面工具链来加速开发数字电源子系统的核心——基于软件的优化控制回路。（图片来源：Microchip Technology）
无论是打造基于标准的器件（如无线功率发射器），还是实现更复杂的定制器件，汽车和电动汽车控制回路应用的设计人员都需要实施紧凑型解决方案，以支持故障监测等基准功能之外的其他功能。另一个参考设计说明了如何使用单核 dsPIC33CK DSC 在另一个重要的数字控制电源转换（无线电力传输）应用中提供一组丰富的功能。
实现符合 Qi 标准的无线功率发射器
无线充电联盟 (WPC) 针对 5 至 15 W 无线电力传输制定的 Qi 标准，被智能手机和其他移动设备制造商广泛采用；消费者只需将具有 Qi 功能的设备放在任何内置有兼容无线发射器的表面，就能为该设备进行充电。Qi 无线功率发射器嵌入在汽车内饰表面或第三方充电产品中，为智能手机提供了一种方便的充电方法，以免出现有线电源连接所造成的混乱和潜在干扰。Microchip Technology 的 15 W Qi 无线电源参考设计[3] 说明了如何使用 dsPIC33 简化这类子系统的实现（图 5）。
图 5：dsPIC33 的集成外设可以独立工作，以加速执行关键控制任务，从而留出处理余量执行其他任务，例如用户界面、通信和更复杂应用（如无线功率发射器）的安全性。（图片来源：Microchip Technology）
参考设计以 Microchip Technology 的单核 dsPIC33CK256MP506 DSC 为基础，利用此 DSC 的集成功能实现数字控制回路。虽然这种设计是基于全桥拓扑结构，而非上文提及的谐振变换器中使用的半桥拓扑结构，但该器件的多个 PWM 可以轻松满足此额外要求。
无线功率发射器通常提供多个射频 (RF) 线圈来传输电力，在本设计中，桥逆变器通过一个多路复用器 (MUX) 连接至三个线圈之一。与全桥逆变器和电压调节前端一样，该设计充分利用了 dsPIC33 的集成外设来管理线圈 MUX 切换。
dsPIC33 的外设除了控制 Microchip 的 MIC4605 和 MP14700 栅极驱动器外，还具有以下功能：
· 通过 Microchip 的 MCP23008 I/O 扩展器控制电源指示灯发光二极管 (LED)
· 通过 Microchip 的 MCP2221A USB 桥接器件提供 USB 连接
· 通过 Microchip 的 ATECC608 认证器件（Microchip 作为获得授权的 WPC 制造商认证机构 (CA) 提供）支持符合 WPC 标准的安全存储
· 通过 Microchip 的 ATA6563 CAN 灵活数据速率 (FD) 器件提供具有 ISO 2622 功能安全性的 CAN 连接
此外，该参考设计使用 Microchip 的 MCP16331 降压转换器和 MCP1755 线性稳压器来支持辅助电池供电。
该参考设计使用这个相对较少的 BOM，提供了一个符合 Qi 标准的解决方案，该方案具有无线电源系统的所有关键特性，包括高效率、扩展的充电区域、有用的 Z 距离（发射器和接收器之间的距离）、异物检测，以及支持领先智能手机中使用的多种快速充电实现。开发人员以这种基于软件的设计为基础，可以轻松增加一些功能，例如发射器和接收器之间的专有通信协议，以及蓝牙等无线连接选项。
实现紧凑型数字照明解决方案
dsPIC33 器件的集成功能在相关的汽车和电动汽车应用中尤为重要，可以在应用中增加一些复杂的功能但又不干扰车辆的线路。高强度 LED 的出现，让汽车制造商能够增强外部前照灯和内部照明的设计感。
然而，这些照明子系统的开发人员通常必须将更多的功能塞进更小的封装中，同时还要支持 DMX 等行业标准，该标准为照明设备链控制提供一种通用的通信协议。与上文提到的无线功率发射器设计一样，紧凑型数字照明[4] 解决方案的设计利用了 dsPIC33 的集成外设（图 6）。
图 6：借助 Microchip Technology 的 dsPIC33 DSC，开发人员能够以最小的占用面积和 BOM 来实现复杂的设计，这样才能将功能不显眼地嵌入到车辆中。（图片来源：Microchip Technology）
与其他数字电源应用一样，此数字照明设计充分利用 dsPIC33 的集成 PWM、模拟比较器和其他外设，提供了完整的紧凑型数字照明解决方案。与上述设计应用一样，此数字照明解决方案依赖 dsPIC33 DSC 的处理能力及其外设独立工作的能力，以监测和控制所需的一组外部装置，包括电源装置、收发器、LED 等。其他 Microchip 设计实例证明，dsPIC33 DSC 在处理更复杂的数字控制算法和先进电机控制系统方面具有高性能处理能力。
使用单一 dsPIC33 DSC 实现先进的电机控制系统
dsPIC33 DSC 的性能让开发人员可以用单一 DSC，来处理核心数字控制回路以及各种辅助功能的执行。事实上，Microchip 的双电机设计[5] 展示了仅使用一个单核 dsPIC33CK DSC，就实现了一对永磁同步电机 (PMSM) 的无传感器磁场定向控制 (FOC)。此设计的关键在于，为每个电机控制通道、电机控制 1 (MC1) 和电机控制 2 (MC2) 的逆变器提供的移相 PWM 信号（图 7）。
图 7：一个单核 dsPIC33CK DSC 可以凭借自身的高性能处理能力和集成外设，支持双电机控制设计。（图片来源：Microchip Technology）
在此方法中，dsPIC33CK 的 PWM 经过配置，可为每个电机控制通道生成所需的波形，并在最佳时机触发独立的 ADC。当每个 ADC 完成转换时，会发出中断，导致 dsPIC333CK 对该组读数执行 FOC 算法。
单个 dsPI33CK DSC 也可以处理更强大的电机控制应用。在高性能电动滑板车 (E-scooter) 的参考设计中，dsPIC33CK 为驱动无刷直流 (BLDC) 电机的三相逆变器，控制多个 FET 和 Microchip 的 MIC4104 栅极驱动器（图 8）。
图 8：使用单核 dsPIC33CK，开发人员只需几个额外的元器件，就可以实现强大的电动滑板车电机控制子系统。（图片来源：Microchip Technology）
电动滑板车参考设计[6] 支持无传感器和传感器工作模式，因为其能够监测 BLDC 电机的反电动势 (BEMF) 以及霍尔效应传感器输出。该设计可使用 18 至 24 V 的输入电压源，实现 350 W 的最大输出功率。
在进一步扩展的设计中[7]，Microchip 展示了可新增用于 EV 和 HEV 的再生制动功能，以便在电机产生 BEMF 而电机端电压高于车载电池的供电电压时回收能量。在这里，增强的设计使用一个额外的 dsPIC33CK 引脚来监测来自制动器的信号。当检测到制动时，dsPIC33CK 首先关闭逆变器的高压侧栅极，将回收的电能提升到高于直流总线电压的水平，然后关闭低压侧栅极，让电流流回电源。
开发人员可以使用双核 dsPIC33CH DSC 取代单核 dsPIC33CK 来扩展此设计，以支持更多功能。在这样的设计中，一个核心能以最少的代码更改来管理 BLDC 电机控制和再生制动功能，而另一个核心可以执行额外的安全功能或高级应用。借助双核 dsPIC33CH，电机控制开发团队和应用开发团队可以分开工作，并将其控制无缝整合到 DSC 上执行。
对于定制电机控制设计，Microchip 的 motorBench 开发套件提供了图形用户界面 (GUI) 工具集，可帮助开发人员更准确地测量关键的电机参数，调整控制回路，并基于 Microchip 的电机控制应用框架 (MCAF) 和电机控制库生成源代码。
结语
借助 Microchip Technology 的 dsPIC33 DSC，开发人员只需相对较少的额外元器件就能为传统汽车和电动汽车应用实现广泛的数字电源设计。在丰富的软件工具和参考设计的支持下，单核和双核 dsPIC33 DSC 为快速开发电源转换、无线充电、照明和电机控制等方面的优化解决方案，提供了一个可扩展平台。
