人們對(duì)氣候變化和汽油價(jià)格的擔(dān)憂，使得混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車等環(huán)保汽車市場(chǎng)日益升溫。這些汽車往往通過一臺(tái)由高壓鋰電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)獲取動(dòng)力。為了實(shí)現(xiàn)最高效率，我們通常需要使用一個(gè)DC/DC變壓器將這臺(tái)動(dòng)力強(qiáng)勁的直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓提升至數(shù)百伏。與此同時(shí)，混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車通常使用與燃油汽車相同的電子控制單元來實(shí)現(xiàn)車身控制、儀表盤信息顯示等功能。這意味著這些電子設(shè)計(jì)需要使用12V電源。因此，還需要使用一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器變壓器將鋰離子電池的數(shù)百伏輸出電壓降至標(biāo)準(zhǔn)的12V直流電壓。

　　圖1：在一臺(tái)環(huán)保汽車中，一個(gè)轉(zhuǎn)換器將鋰離子電池的輸出電壓提升至數(shù)百伏直流電壓（橙色），用以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；同時(shí)將輸出電壓降至12V直流電壓DC，用以驅(qū)動(dòng)ECU（淺藍(lán)色）。CAN總線網(wǎng)絡(luò)用深藍(lán)色表示。

　　由于ECU負(fù)責(zé)執(zhí)行各種關(guān)鍵性任務(wù)，因此，DC/DC變壓器對(duì)于確保車輛的安全運(yùn)行至關(guān)重要。此外，該轉(zhuǎn)換器還必需高效，而且即使在電池電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，也必須為ECU提供穩(wěn)定的電源。其電路設(shè)計(jì)必須足夠精準(zhǔn)、高效和緊湊，以適合空間受限有限的汽車系統(tǒng)。最重要的是，它必須可靠，因?yàn)镋CU的任何一個(gè)故障都可能導(dǎo)致車輛失控、損壞甚至人員傷亡。

　　然而，卓越的DC/DC變壓器離不開卓越的控制器。Spansion半導(dǎo)體的新技術(shù)利用MCU的數(shù)字處理能力成功縮減了組件的數(shù)量，它能夠利用軟件平臺(tái)輕松靈活地滿足系統(tǒng)要求，而且還能通過車載網(wǎng)絡(luò)向駕駛員顯示故障信息，從而簡(jiǎn)化了車輛的維護(hù)工作。

　　數(shù)字化的優(yōu)勢(shì)

　　為了更好地了解MCU如何影響數(shù)字DC/DC變壓器的運(yùn)行和功能，讓我們以Spansion MB91550為例。這款MCU能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)控制環(huán)，一個(gè)用于控制輸出電壓，另一個(gè)用于控制電流（見圖2）。這個(gè)以200MHz時(shí)鐘頻率運(yùn)行的MCU 能夠生成一個(gè)精準(zhǔn)的PWM波形，而這是保持精準(zhǔn)控制的關(guān)鍵所在。通過PWM轉(zhuǎn)化輸出的周期進(jìn)行相位調(diào)整能夠?qū)ζ溥M(jìn)行功率因數(shù)校正（PFC）。另外，此款 MCU還符合ISO26262定義的功能安全要求。

　　圖 2： 在斜率補(bǔ)償單元和比較器的協(xié)助下， MB91550 單片機(jī)可以控制數(shù)字直流/直流轉(zhuǎn)變壓器，從而搭建一個(gè)高效的系統(tǒng)。

　　讓我們仔細(xì)研究一下整個(gè)過程。一個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)電壓進(jìn)行數(shù)字化處理，然后，一個(gè)配有FPU的32位CPU設(shè)定一個(gè)比較器參考值和一個(gè)斜率補(bǔ)償值，目的是將電壓降至目標(biāo)電壓（見圖3）。這個(gè)斜率補(bǔ)償值通過一個(gè)10位D/A轉(zhuǎn)換器被發(fā)送到電流反饋環(huán)的斜率補(bǔ)償單元。經(jīng)過CPU處理后，電流進(jìn)入一個(gè)比較器，后者檢查其與預(yù)先設(shè)定的參考值的偏離。轉(zhuǎn)換器根據(jù)匹配結(jié)果調(diào)整當(dāng)前轉(zhuǎn)換周期的PWM輸出的工作周期。如果電流大于上述參考值，則表示發(fā)生了過流情況，MCU將切換至“off”狀態(tài)，同時(shí)修正被控制的PWM輸出。

　　圖3： 比較器比較電感電流和參考值，以便確定如何修改PWM輸出參數(shù)，以提供穩(wěn)定的電壓。

　　斜率補(bǔ)償電路和專用比較器讓MCU能夠控制DC/DC變壓器的PWM工作周期，而且無需等待下一個(gè)工作周期。這是MCU的一大優(yōu)勢(shì)：轉(zhuǎn)換器能夠響應(yīng)實(shí)際電動(dòng)機(jī)負(fù)載的快速波動(dòng)，并檢測(cè)目標(biāo)系統(tǒng)的電流和電壓。PWM輸出電路支持一個(gè)發(fā)電機(jī)空載計(jì)時(shí)器和用于波形控制的相移功能（見圖4）。

　　圖4： 此圖為一個(gè)相移——全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器電路

　　展望未來

　　混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車是未來環(huán)保汽車市場(chǎng)的重要組成部分。本文重點(diǎn)關(guān)注了車用MCU，但實(shí)際上，市場(chǎng)上還存在各種各樣的直流設(shè)備和系統(tǒng)，例如，需要電源管理的太陽能電池板等。我們?cè)诖颂接懙腗CU類型可被應(yīng)用于眾多同類系統(tǒng)，用以提升它們的效率、性能和安全性。

　　圖 5： 在未來的聯(lián)網(wǎng)世界中，安全性將是至關(guān)重要的

　　微控制器不僅能夠助力打造一個(gè)高效的社會(huì)，而且還能打造一個(gè)安全的社會(huì)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)愿景，未來的數(shù)字電子器件應(yīng)能在很多方面從容應(yīng)對(duì)以下趨勢(shì)和挑戰(zhàn)：

　　在不遠(yuǎn)的將來，所有事物都將聯(lián)網(wǎng)。汽車對(duì)于交通而言非常重要，但如果不能很好地抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊，它們也會(huì)成為威脅。MCU等數(shù)字組件需要保護(hù)車輛免遭外部網(wǎng)絡(luò)攻擊（見圖5）。

　　基于模型的開發(fā)（MBD）能夠通過代碼自動(dòng)生成大幅縮短嵌入式軟件的開發(fā)時(shí)間。在模擬環(huán)境中，我們甚至能夠在獲得實(shí)物系統(tǒng)之前測(cè)試各類安全隱患。通過分析系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中可能不會(huì)出現(xiàn)的各種異常事件的響應(yīng)，模擬環(huán)境能夠幫助我們開發(fā)出更安全的系統(tǒng)。

　　集成能夠降低成本，同時(shí)優(yōu)化性能。