本文介紹實時 MCU 如何實現(xiàn)超低延遲。

實時控制也是實現(xiàn)高效可靠電源系統(tǒng)的基礎。例如，實時控制有助于使充電站保持穩(wěn)定的輸出功率，并調節(jié)流入汽車電池的電流，從而保證電池壽命并避免過熱。將實時控制與MCU和GaN等新技術相結合，可提高功率密度和效率，有助于充分降低應用的功率損耗。

現(xiàn)代電機驅動系統(tǒng)的性能持續(xù)提高，因此對實時控制的要求也日益嚴格。例如，高精度高速計算機數(shù)控機械(控制磨床和車床等各種復雜機床的機械)可在轉速超過 20,000RPM的情況下實現(xiàn)低于5μm的精度。只有非常快的控制環(huán)路才能實現(xiàn)上述功能，這意味著信號測量和系統(tǒng)調整之間的延時時間通常不到1μs。

鑒于高度時間敏感的計算需求，許多設計人員都采用了現(xiàn)場可編程門陣列、外部快速模數(shù)轉換器和多個MCU的組合。但是TI的C2000 MCU和Sitara處理器可提高模擬集成度，從而在不到 1μs 的時間內執(zhí)行電流環(huán)路，即快速電流環(huán)路。通過在現(xiàn)代控制拓撲中充分利用快速電流環(huán)路，設計人員能夠以更低的成本開發(fā)尺寸更小、性能更高的系統(tǒng)。

使用完全集成式解決方案，比如TI的 MCF8316電機驅動器，還可進一步降低成本。 這類器件采用預編程、只需微調的無刷直流電機控制算法，在系統(tǒng)設計階段，通過MCU的簡單I2C接口配置集成的電擦除可編程只讀存儲器即可實現(xiàn)。它們還提供有硬件配置，支持系統(tǒng)設計人員在沒有MCU的情況下調整電機。MCF8316集成了六個為電機提供電流的金屬氧化物半導體場效應晶體管，實現(xiàn)了采用7mm x 5mm封裝的完整實時電機控制解決方案。

實時控制是電網(wǎng)基礎設施、電器、電動和混合動力電動汽車、電力輸送、電機驅動和機器人等應用領域的重要組成部分。為進一步提高響應速度，上述所有應用需要不斷縮短執(zhí)行動作的時間窗口。TI全套的檢測、處理、控制和通信技術可提供高電源效率和性能以及低延遲響應時間，有助于實現(xiàn)更小、更可靠的實時控制系統(tǒng)。

不斷增長的能源利用(尤其是在電網(wǎng)基礎設施和電力輸送應用中)需要高效、緊湊和穩(wěn)定的電源系統(tǒng)。這一要求已經(jīng)引起了電源轉換系統(tǒng)的革命，以提供高能效、快速瞬態(tài)響應、高功率密度和更大電源容量。

高功效

數(shù)據(jù)中心的不間斷電源必須連續(xù)運行。正如白皮書“結合使用 TI GaN FET 和 C2000實時 MCU 實現(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政支出，通過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，為了實現(xiàn)這些好處，實現(xiàn)復雜的電源拓撲結構可能具有挑戰(zhàn)性，例如圖騰柱無橋功率因數(shù)校正(使用較少的無源耗能器件)或軟開關控制(例如零電壓開關和零電流開關)。

高性能實時微控制器 (MCU)(有些甚至帶有片上硬件加速器)可以通過更快的控制環(huán)路來實現(xiàn)這一目標。為了將其提升到一個新的水平，配備快速片上模數(shù)轉換器 (ADC) 和定制后處理功能的實時 MCU 可以進一步處理準確、快速的采樣以及電流和電壓的轉換，從而減少整體實時信號鏈的延遲。

快速瞬態(tài)響應

服務器電源應用需要在不斷變化的負載條件下實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的運行，因此需要快速的瞬態(tài)響應。有幾種控制方案可以實現(xiàn)快速響應。由 C2000 和 GaN 實現(xiàn) CCM 圖騰柱 PFC 和電流模式 LLC 的 1kW 參考設計展示了其中一種方案，其目標是展示快速響應時間(目前的目標壓擺率接近 2.5A/μS 至 5A/μS)。實時 MCU 通過以下方法在檢測和執(zhí)行現(xiàn)實之間實現(xiàn)超低延遲：定義具有高 CPU 頻率/MIPS 的快速處理、對外設寄存器的快速訪問、快速中斷響應、經(jīng)過優(yōu)化的控制代碼指令集、實時信號鏈支柱的緊密硬件耦合，以及 CPU 外部的專用邏輯(脈寬調制器 [PWM] 和比較器)，可在限制下沖或過沖條件時提供故障或故障檢測響應。

高功率密度

直流/直流轉換器通常需要在更小的空間內提供更大的電源容量，這不僅是為了降低系統(tǒng)成本，也是為了滿足分布式電源開放標準聯(lián)盟等監(jiān)管標準(目標低至 1/32 格式占地面積(0.69 平方英寸))。在微型外形尺寸下，在沒有散熱器的情況下減少散熱成為一項挑戰(zhàn)，而采用氮化鎵和碳化硅等寬帶隙功率器件來實現(xiàn)更高的開關頻率并滿足這些小設計尺寸可能會更加麻煩。憑借其固有的架構和片上數(shù)學增強器，實時 MCU 的處理能力使復雜的時間關鍵型數(shù)據(jù)計算成為可能。額外的馬力提供了額外的計算能力，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“了解提高功率密度的利弊權衡和所需技術”中強調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償?shù)裙δ埽约翱膳渲眠壿媺K等其他功能部件，可以進一步增強處理能力。

實時 MCU 如何實現(xiàn)必要的處理能力

高效地支持當今的高性能電源系統(tǒng)是控制器的不同之處。TI 實時 MCU 提供雙存儲器訪問、單周期確定性執(zhí)行、八相并行流水線總線、卓越的存儲器執(zhí)行吞吐量、高效的加速器和統(tǒng)一的存儲器映射。其中一些還擁有協(xié)處理器或多核支持，以靈活地實現(xiàn)電源系統(tǒng)，以及實現(xiàn)安全、診斷、自適應算法和輔助控制任務的余量。

結語

盡管復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，但實際實現(xiàn)需要的不僅僅是數(shù)學功能和控制器帶來的更高兆赫速度。由于從傳感到驅動的時序在定義性能方面也起著至關重要的作用，專為超低延遲而設計的具有高 CPU 性能、靈活 PWM 和快速準確傳感的實時 MCU 可以滿足當今全面的系統(tǒng)需求，以及面向未來的可擴展解決方案。

審核編輯：湯梓紅