英飞凌PSOC家族首款专为电机和电源应用的MCU正式亮相
2024年，英飞凌为了应对MCU市场的挑战，宣布革新其PSOC平台，分别命名为PSOC Edge、PSOC Control和PSOC Connect。顾名思义，三大MCU平台对应了如今流行的主要MCU应用——边缘AI，控制以及连接。
PSOC MCU最初由赛普拉斯推出。20 世纪 90 年代末，赛普拉斯开始研发 PSOC 技术，旨在将可编程逻辑与微控制器的功能集成于一体，为嵌入式系统设计提供更灵活、高效的解决方案。当时，传统的 MCU 在面对复杂的系统设计需求时，往往需要外接大量的周边电路，这不仅增加了系统成本和电路板面积，还降低了系统的可靠性。PSOC 的出现，正是为了解决这些问题。
随着赛普拉斯被英飞凌收购。此后，PSOC MCU 成为英飞凌产品组合中的重要一员，在英飞凌的资源和技术支持下，继续发展和创新。
此次PSOC的全新升级，除了继承以往的特性之外，还突出了PSOC面对三大市场的打法，即按照应用需求指定产品开发策略。
PSOC Control问世
日前英飞凌宣布PSOC Control C3正式问世，这也是最新的PSOC Control首个宣布量产的产品，PSOC Edge和PSOC Connect将于今年年中和明年量产。
PSOC Control C3将聚焦于电机控制和电源转换领域，其关键差异化在于MCU具备实现超高速控制回路的强大能力。英飞凌科技物联网、工业和消费级微控制器高级副总裁Steve Tateosian表示，目前MCU在电机控制领域的市场规模约为 17 亿欧元，年增长率约 7%。电源转换领域市场规模约 8 亿欧元，年增长率为 9%。这也给PSOC带来了广阔的发展空间。
具体而言，在电机控制领域，家电占据主导地位，其次是广泛的工业应用以及智能家居领域。这个市场细分还包括电动工具和园艺设备等。在电源转换方面，市场主要由工业领域主导。Tateosian特别强调，随着人工智能服务器的快速发展，开关电源也有了更新的需求。
实际上，无论是电机还是电源市场，包括氮化镓和碳化硅在内的宽禁带半导体应用越来越火热，由于宽禁带半导体的频率更高，因此对于MCU也有了新的要求，在外设分辨率、CPU处理能力等方面都需要提升，这也是PSOC Control的重要竞争力之一。
另外，如今安全性也成为一大重要挑战，尤其是当产品中包含重要安全信息，无论是工业应用还是家庭应用，产品的信息安全都成为了一项重要考量，在这方面PSOC Control也有着其独创性。
PSOC Control C3 MCU的特点
PSOC Control产品框图
PSOC Control C3采用了Arm Cortex M33处理器。
M33 基于 ARMv8-M 架构，而 M7 基于 Armv7-M 架构。这意味着 M33 支持 ARM 的 TrustZone 技术，能为嵌入式设备提供更好的安全性。另外，M33在低功耗模式下的性能更优，更适合电池观点的设备。
不过M7的性能更强。M7 采用六级流水线和双发射超标量架构，可在一个时钟周期内执行两条指令；M33 则采用四级流水线架构，每个时钟周期只能执行一条指令。而对于浮点运算，M7 能够进行双精度浮点运算，而 M33 只支持单精度浮点运算。
无论是M33还是M7都在电机和电源领域有着广泛应用，也是Arm进入数控市场的王牌产品，具体使用场景还要根据实际需求而定。
PSOC C3主线产品特性一览
英飞凌一出手，就是直接推出了34款产品，包括C3M和C3P两大产品线，其中M适用于电机、P则适用于电源。
PSOC Control产品线一览
PSOC Control C3M和C3P的具体区别
如图所示，电机应用中包括了三角函数加速器以及霍尔传感器接口等针对电机优化的功能。同时，为了满足不同档次应用，英飞凌推出包括入门级以及主流产品线等分类。从 48 引脚、128K 内存、100 MHz主频的设备，到 256K 内存、80 引脚、180 MHz主频的产品。这些设备在封装上具有通用引脚布局，开发者可以在复用相同硬件设计的同时，扩展软件功能并提升应用性能，还能满足各种不同应用需求。
这使得开发者在软件开发和 PCB 及系统硬件设计上只需投入一次，然后可以根据系统性能需求选择最具成本效益的 MCU 。
另外，在未来英飞凌的产品规划中，也将涵盖更低成本以及高性能的不同组合。
值得一提的是，正是由于M33的功耗相比M7低，因此PSOC非常适合电池驱动的手持电动设备，如今越来越多的电动工具采用电池供电，更多机器人也采用了电池驱动，因此更低功耗也意味着更久的续航，更好的用户体验。
在信息安全性方面，借助 ARMv8-M，PSOC Control实现了PSA Certified 2 级认证。它配备了加密加速器、TrustZone和安全密钥存储功能，可实现安全的现场设计和基于云的设计，方便用户安全可靠的实现OTA升级，并且保护关键IP和用户资料的安全性。而在功能安全上面，英飞凌提供Class B/ SIL 2 软件安全库，这在大家电或其他工业应用中都很常见且是必需的。
关于AI的支持
如今，很多MCU都加入了NPU，从而实现诸如预测性维护、拉弧检测等等功能。
英飞凌也认为在电机和电源转换等应用中采用人工智能和机器学习技术具有重要意义，并且其产品支持相关应用。实际上，英飞凌已经整合了一套完整的机器学习开发生态系统。在机器学习方面，具备系统监测功能，可用于预测性维护和故障检测或预防。2023年，英飞凌就收购了Imagimob，强化边缘AI的部署。
关于未来PSOC Control是否会内置NPU的相关路线图时，Tateosian并没有透露太多。不过目前而言，PSOC Control的新品虽无专门的 NPU，但整体 CPU 性能充足，且通过DSP、FPU以及Cordic加速器可以有效卸载CPU算力，能够预留出空间以支持与电机和电源转换应用相关的机器学习使用。
关键的实时性支持
无论是电机还是电源应用，对于实时性控制闭环的要求都极高，英飞凌通过三方面改善了这一需求。
包括：
高性能 12 位、120Msps的SAR（逐次逼近寄存器型）型ADC
内置 16 通道采样保持功能
功能丰富的定时器 / 计数器 / TCPWM模块
特别注意的是，针对宽禁带半导体开关应用，PSOC Control 具有独特的空闲采样ADC，通过最大限度减少采样与转换之间的时间延迟来提升系统性能。PWM的分辨率低于 100 皮秒，可生成纯净的信号，允许系统对高达 200kHz 的开关频率进行控制。
在一份报告（Pseudo-Differential Processing ADC in the PSOC Control C3 MCU Reduces Time, Complexity and System BOM Cost）中介绍了英飞凌 PSOC Control C3 中伪差分处理 ADC 在控制系统设计中的应用，通过与传统差分传感方法对比，阐述其在降低时间复杂度、系统成本和设计复杂度方面的优势。
在控制系统设计里，可靠的控制参数传感很关键，但测量信号常受噪声干扰。相比离散电路和 ASIC，基于微控制器的可编程控制系统在成本、通用性和可配置性上优势明显。PSOC Control C3 MCU 专为控制应用设计，其 ADC 的采样率影响控制回路执行时间和系统性能，多参数同时采样能提升复杂系统的控制性能。
传统差分传感方法如下：在电机控制的无传感器磁场定向控制（FOC）算法中，电流检测需模拟前端（AFE）对信号调理后再由 ADC 读取。常用的电流检测技术有低端直流链路单分流器或逆变器低端支路两 / 三分流器。因分流电阻值小，需放大分流电压以充分利用 ADC 测量范围。测量逆变器支路的正负电流时，单端 ADC 需给分流信号加偏置电压。该方法使用的运算放大器需具备高增益带宽积和轨到轨操作能力，且在布局、元件放置和信号布线方面有诸多限制 。
PSOC Control C3 MCU 的伪差分方法如下：利用 PSOC Control C3 MCU 的独特功能，提出一种伪差分方法。通过两个连续的 ADC 输入实现相同的偏置和低通滤波电路，将分流器的高端和低端信号路由到 ADC 采样器。MCU 中的 SAR ADC 虽只有一个实例，但有多个直接和多路复用采样器，支持同时空闲采样和硬件伪差分后处理操作，能在数字域去除共模噪声，简化高低端信号布线，适用于低成本两层 PCB 设计。其高性能可编程模拟子系统（HPPASS）具备多项特性，能为电机电流检测提供良好的降噪性能。
与单端方法相比电流重构的改进：对比了单采样器检测高端信号、伪差分配置下两个采样器检测以及传统运算放大器电流检测的电机电流波形。结果显示，伪差分和外部运算放大器方法都有良好的噪声抑制性能，伪差分方法能有效去除噪声，得到更干净的正弦波信号。
友好的开发体验
Tateosian表示，通用且友好的软件和开发环境是MCU是否成功的重要关键之一。ModusToolbox是PSOC全面的软件生态系统和开发平台，具有GUI图形界面，丰富的软硬件开发工具以及文档，支持从开发到调试的所有功能。同时，英飞凌还针对特定应用，提供开发参考，比如针对电机控制，为开发者提供一系列电机控制库Motor Suit，开发者可以以此为起点进行开发。值得一提的是，Motor Suite中还包括一个电机调节GUI，无需修改C代码，就可以更改各类参数并且直观看到电机的运行修改，非常适合电机的微调开发。
另外，英飞凌还有广泛的电机控制解决方案，包括功率器件、传感器、XMC MCU等等，这些都可以找到相应的开发板和评估工具，并且与Modus Toolbox无缝集成。
Tateosian说道：“英飞凌坚信要将开发者置于产品核心，这意味着我们要考虑开发者的体验，思考如何更快将产品推向市场，并在不同项目中尽可能复用开发成果。”
