傳統(tǒng)的汽車和電動汽車系統(tǒng)都依賴無數(shù)電子器件的有效運行，才能實現(xiàn)便利功能和任務關(guān)鍵型功能安全能力。雖然這些不同的應用具有廣泛的需求，但在根本上都需要能夠在極端條件下運行，同時又能提供可靠、高性能的實時響應。

　　因此，開發(fā)人員迫切需要一種穩(wěn)定、強大、受到良好支持且可擴展的平臺，其能夠幫助簡化不斷擴充的汽車和電動汽車用例的設計和開發(fā)。

　　本文將討論 Microchip Technology 能滿足這些要求的數(shù)字信號控制器 （DSC） 系列，并介紹如何使用這些 DSC 在參考設計中實現(xiàn)汽車和電動汽車系統(tǒng)的必備功能。

　　多樣化的設計挑戰(zhàn)需要靈活的解決方案

　　無論是為傳統(tǒng)汽車還是電動汽車進行設計，開發(fā)人員都需要滿足越來越多的應用需求，包括電源轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)、車載無線充電、數(shù)字照明系統(tǒng)，以及電機控制系統(tǒng)——從相對簡單的步進電機應用到電動汽車 （EV） 和混合動力電動汽車 （HEV） 的復雜再生制動系統(tǒng)。汽車制造商努力提高安全性、便利性、功能性和性能，以應對消費者的需求和競爭壓力，在此過程中，除了任務關(guān)鍵型功能安全要求，設計的占用面積和物料清單 （BOM） 要求也越來越重要。

　　為了滿足這些要求，該行業(yè)已針對幾乎所有的車輛子系統(tǒng)迅速改用數(shù)字解決方案。傳統(tǒng)載客車輛中的子系統(tǒng)早已依賴微控制器 （MCU），MCU 所運行的軟件代碼數(shù)要比商用飛機多四倍［1］。

　　然而，隨著需求和競爭壓力的不斷增大，早期的微控制器解決方案可能無法滿足汽車設計人員現(xiàn)在面臨的一系列要求。越來越多的電子子系統(tǒng)和相關(guān)的高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換功能需要不同的電源軌，特別是在電動汽車中，這就需要更復雜的數(shù)字控制能力。移動設備的車載無線充電等其他應用，則帶來了一系列全新的設計要求，以構(gòu)建多線圈無線功率發(fā)射器，從而與更多消費型設備中內(nèi)置的行業(yè)標準功率接收器兼容。車輛照明設計需要考慮調(diào)光、溫度、元器件老化等技術(shù)特性，以提供更明亮的前照燈、令人愉悅的顏色和儀表盤的調(diào)光效果。最后，即使在傳統(tǒng)汽車中，精密的數(shù)字控制電機也普遍存在，這顯然為電動汽車提供了功能基礎(chǔ)。

　　Microchip Technology 的 dsPIC33 DSC 系列專門為滿足這些多樣化的要求而設計，其成員具有專用的功能。該系列的最新成員 dsPIC33C 擴展了 dsPIC33E 和 dsPIC33F DSC 的性能和功能，可供開發(fā)人員用于更復雜的應用。

　　這些 DSC 基于數(shù)字信號處理器 （DSP） 內(nèi)核，結(jié)合了 MCU 的簡單性和 DSP 的性能，可滿足不斷變化的高性能、低延遲、實時能力等要求，同時保持最小的占用面積和 BOM。開發(fā)人員借助 Microchip 廣泛的 dsPIC33 開發(fā)板、參考設計和軟件開發(fā)工具生態(tài)系統(tǒng)，可以利用 dsPIC33 系列的不同成員來擴展設計，提供作為汽車和電動汽車系統(tǒng)核心的廣泛應用。

　　為汽車和電動汽車設計提供更有效的硬件基礎(chǔ)

　　軟件型高速數(shù)字控制回路是許多汽車子系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而 Microchip 的 dsPIC33C 系列是專門為減少延遲和加快執(zhí)行此回路而設計。為了提供這種功能，這些器件集成了 DSP 引擎、高速寄存器，以及緊密耦合的外設，包括多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC）、模擬比較器和運算放大器。

　　DSP 引擎的單周期 16 x 16 乘積累加運算 MAC（40 位累加器）、零開銷循環(huán)和桶形移位等功能確保了數(shù)字控制回路的高速執(zhí)行。外設功能可使精密控制回路接口獨立工作，例如 150 ps 分辨率的脈沖寬度調(diào)制器 （PWM）、捕捉/比較/PWM （CCP） 定時器、外設觸發(fā)信號發(fā)生器和用戶可編程的可配置邏輯單元。

　　這類器件采用小至 5 x 5 mm 的封裝，具有廣泛的片上功能，有助于開發(fā)人員實現(xiàn)最小的占用面積和 BOM，以滿足時尚汽車系統(tǒng)對縮減器件尺寸的要求。這類器件進一步簡化了汽車設計，支持多種通信接口，包括控制器區(qū)域網(wǎng)絡 （CAN）、本地互連網(wǎng)絡 （LIN） 和先進汽車系統(tǒng)中使用的數(shù)字多路復用 （DMX）。此外，這類器件在單核和雙核配置中都有不同的內(nèi)存大小，可為先進的汽車和電動汽車應用提供所需的可擴展解決方案。

　　這些零件適用于嚴苛的汽車環(huán)境，符合 AEC-Q100 0 級標準，能夠滿足引擎蓋下操作的嚴格要求，支持 -40°C 至 +150°C 的擴展溫度范圍。對于任務關(guān)鍵型汽車設計最為重要的是，選定的 dsPIC33 系列成員具有所需的功能安全性，能夠輕松滿足相關(guān)安全規(guī)格，包括 ISO 26262（ASIL A 或 ASIL B），IEC 61508 （SIL 2） 和 IEC 60730（B 類）。這些 dsPIC33 系列成員集成了專門的安全硬件功能，包括程序監(jiān)控定時器、看門狗定時器、故障安全時鐘監(jiān)控、隨機存取存儲器 （RAM）、內(nèi)置自檢 （BIST） 和糾錯碼。

　　在軟件開發(fā)方面，Microchip 的 MPLAB XC C 編譯器通過了 TüV SUD 功能安全認證，在某些情況下還提供有診斷軟件庫。此外，Microchip 還提供安全認證過程中所需的相關(guān)故障模式、影響和診斷分析 （FMEDA） 報告和安全手冊。

　　功能安全認證所需的硬件安全功能和開發(fā)能力，只是內(nèi)容豐富的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的一部分，支持基于 dsPIC33 的傳統(tǒng)汽車和電動汽車設計。Microchip 在其 MPLAB X 集成開發(fā)環(huán)境 （IDE） 的基礎(chǔ)上，為不同的應用領(lǐng)域提供了一套廣泛的專門設計工具和庫，如下文所述。

　　為了幫助進一步加快使用 dsPIC33 系列進行開發(fā)，Microchip 提供了內(nèi)容豐富的 dsPIC33 開發(fā)板生態(tài)系統(tǒng)，以及可下載的設計資源，包括白皮書、應用說明和參考設計。在這些資源中，有幾個 dsPIC33C 參考設計可滿足汽車和電動汽車的幾個關(guān)鍵應用領(lǐng)域，包括無線充電、數(shù)字照明、電源轉(zhuǎn)換和電機控制。除了展示 dsPIC33C DSC 在各個領(lǐng)域的使用外，這些參考設計和相關(guān)軟件也可以作為實現(xiàn)定制設計的起點。

　　實現(xiàn)用于電源轉(zhuǎn)換的精密數(shù)字控制回路

　　控制回路是許多汽車和電動汽車應用的核心，它們在這些應用中最關(guān)鍵的用途之一是滿足電源轉(zhuǎn)換的基本需求。高效的直流-直流轉(zhuǎn)換在傳統(tǒng)汽車系統(tǒng)中仍然很重要，在高壓電動汽車和混合動力汽車中也是必不可少的。在這些系統(tǒng)中，200 V 至 800 V 的電池電壓需要安全有效地降到所需的 12 V 或 48 V 水平，以運行外部和內(nèi)部照明，以及雨刷器、窗戶、風扇和泵的動力馬達。

　　在 200 W 的 DC/DC LLC（三個電抗元件：兩個電感和一個電容）諧振變換器參考設計中［2］，單個 dsPIC33 器件實現(xiàn)了一個用于開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換的緊湊型數(shù)字解決方案，其中使用所集成的 PWM 之一來驅(qū)動控制回路中的半橋 MOSFETS（圖 1）。

圖 1：Microchip Technology 的 DC/DC LLC 諧振變換器參考設計依靠單個 dsPIC33 DSC，對作為電源轉(zhuǎn)換設計核心的控制回路進行數(shù)字化管理。（圖片來源：Microchip Technology）

　　在圖 2 中，諧振變壓器將 MOSFET 驅(qū)動器 （D） 的初級側(cè)高電壓（黑線）與次級側(cè) 12 V 電源（藍線）隔離，并與 dsPIC33 DSC 和其他模擬 （A） 元器件的 3 V 電源隔離。

圖 2：dsPIC33 DSC 通過其專門的外設，幫助簡化設計和減少零件數(shù)量，其在此處使用集成的 PWM 和外設功能來控制外部 MOSFETS （D） 和其他模擬 （A） 元器件。（圖片來源：Microchip Technology）

　　在此設計中，dsPIC33 使用基本的中斷驅(qū)動軟件設計來管理數(shù)字控制回路。此處使用 ADC 中斷來獲取軟件比例-積分-微分 （PID） 控制器中使用的輸出電壓。另一個 ADC 中斷支持溫度感應，而 dsPIC33 的模擬比較器則支持過流和過壓事件檢測。事實上，執(zhí)行 PID 控制過程和相關(guān)的控制回路管理任務可留出大量的處理余量，以用于內(nèi)務處理和監(jiān)測任務，包括溫度監(jiān)測、故障監(jiān)測和通信，所有這些都按照一個簡單的固件處理序列進行（圖 3）。

圖 3：dsPIC33 DSC 的高性能 DSP 引擎和緊密耦合的外設使開發(fā)人員能夠用更簡單的代碼輕松實現(xiàn)復雜的數(shù)字控制回路。（圖片來源：Microchip Technology）

　　對于希望打造更專業(yè)的數(shù)字電源解決方案的開發(fā)人員，Microchip 的數(shù)字電源設計套件支持從概念到為目標 dsPIC DSC 生成固件的整個設計過程。開發(fā)人員以 dsPIC DSC 硬件功能為基礎(chǔ)，使用該套件的數(shù)字補償器設計工具 （DCDT） 來分析控制回路，并使用 MPLAB 代碼配置器 （MCC） 來生成代碼，以便使用 Microchip 補償器庫中的優(yōu)化匯編代碼功能（圖 4）。

圖 4：開發(fā)人員可以利用 Microchip 的全面工具鏈來加速開發(fā)數(shù)字電源子系統(tǒng)的核心——基于軟件的優(yōu)化控制回路。（圖片來源：Microchip Technology）

　　無論是打造基于標準的器件（如無線功率發(fā)射器），還是實現(xiàn)更復雜的定制器件，汽車和電動汽車控制回路應用的設計人員都需要實施緊湊型解決方案，以支持故障監(jiān)測等基準功能之外的其他功能。另一個參考設計說明了如何使用單核 dsPIC33CK DSC 在另一個重要的數(shù)字控制電源轉(zhuǎn)換（無線電力傳輸）應用中提供一組豐富的功能。

　　實現(xiàn)符合 Qi 標準的無線功率發(fā)射器

　　無線充電聯(lián)盟 （WPC） 針對 5 至 15 W 無線電力傳輸制定的 Qi 標準，被智能手機和其他移動設備制造商廣泛采用；消費者只需將具有 Qi 功能的設備放在任何內(nèi)置有兼容無線發(fā)射器的表面，就能為該設備進行充電。Qi 無線功率發(fā)射器嵌入在汽車內(nèi)飾表面或第三方充電產(chǎn)品中，為智能手機提供了一種方便的充電方法，以免出現(xiàn)有線電源連接所造成的混亂和潛在干擾。Microchip Technology 的 15 W Qi 無線電源參考設計［3］ 說明了如何使用 dsPIC33 簡化這類子系統(tǒng)的實現(xiàn)（圖 5）。

圖 5：dsPIC33 的集成外設可以獨立工作，以加速執(zhí)行關(guān)鍵控制任務，從而留出處理余量執(zhí)行其他任務，例如用戶界面、通信和更復雜應用（如無線功率發(fā)射器）的安全性。（圖片來源：Microchip Technology）

　　參考設計以 Microchip Technology 的單核 dsPIC33CK256MP506 DSC 為基礎(chǔ)，利用此 DSC 的集成功能實現(xiàn)數(shù)字控制回路。雖然這種設計是基于全橋拓撲結(jié)構(gòu)，而非上文提及的諧振變換器中使用的半橋拓撲結(jié)構(gòu)，但該器件的多個 PWM 可以輕松滿足此額外要求。

　　無線功率發(fā)射器通常提供多個射頻 （RF） 線圈來傳輸電力，在本設計中，橋逆變器通過一個多路復用器 （MUX） 連接至三個線圈之一。與全橋逆變器和電壓調(diào)節(jié)前端一樣，該設計充分利用了 dsPIC33 的集成外設來管理線圈 MUX 切換。

　　dsPIC33 的外設除了控制 Microchip 的 MIC4605 和 MP14700 柵極驅(qū)動器外，還具有以下功能：

　　通過 Microchip 的 MCP23008 I/O 擴展器控制電源指示燈發(fā)光二極管 （LED）

　　通過 Microchip 的 MCP2221A USB 橋接器件提供 USB 連接

　　通過 Microchip 的 ATECC608 認證器件（Microchip 作為獲得授權(quán)的 WPC 制造商認證機構(gòu) （CA） 提供）支持符合 WPC 標準的安全存儲

　　通過 Microchip 的 ATA6563 CAN 靈活數(shù)據(jù)速率 （FD） 器件提供具有 ISO 2622 功能安全性的 CAN 連接

　　此外，該參考設計使用 Microchip 的 MCP16331 降壓轉(zhuǎn)換器和 MCP1755 線性穩(wěn)壓器來支持輔助電池供電。

　　該參考設計使用這個相對較少的 BOM，提供了一個符合 Qi 標準的解決方案，該方案具有無線電源系統(tǒng)的所有關(guān)鍵特性，包括高效率、擴展的充電區(qū)域、有用的 Z 距離（發(fā)射器和接收器之間的距離）、異物檢測，以及支持領(lǐng)先智能手機中使用的多種快速充電實現(xiàn)。開發(fā)人員以這種基于軟件的設計為基礎(chǔ)，可以輕松增加一些功能，例如發(fā)射器和接收器之間的專有通信協(xié)議，以及藍牙等無線連接選項。

　　實現(xiàn)緊湊型數(shù)字照明解決方案

　　dsPIC33 器件的集成功能在相關(guān)的汽車和電動汽車應用中尤為重要，可以在應用中增加一些復雜的功能但又不干擾車輛的線路。高強度 LED 的出現(xiàn)，讓汽車制造商能夠增強外部前照燈和內(nèi)部照明的設計感。

　　然而，這些照明子系統(tǒng)的開發(fā)人員通常必須將更多的功能塞進更小的封裝中，同時還要支持 DMX 等行業(yè)標準，該標準為照明設備鏈控制提供一種通用的通信協(xié)議。與上文提到的無線功率發(fā)射器設計一樣，緊湊型數(shù)字照明［4］ 解決方案的設計利用了 dsPIC33 的集成外設（圖 6）。

圖 6：借助 Microchip Technology 的 dsPIC33 DSC，開發(fā)人員能夠以最小的占用面積和 BOM 來實現(xiàn)復雜的設計，這樣才能將功能不顯眼地嵌入到車輛中。（圖片來源：Microchip Technology）

　　與其他數(shù)字電源應用一樣，此數(shù)字照明設計充分利用 dsPIC33 的集成 PWM、模擬比較器和其他外設，提供了完整的緊湊型數(shù)字照明解決方案。與上述設計應用一樣，此數(shù)字照明解決方案依賴 dsPIC33 DSC 的處理能力及其外設獨立工作的能力，以監(jiān)測和控制所需的一組外部裝置，包括電源裝置、收發(fā)器、LED 等。其他 Microchip 設計實例證明，dsPIC33 DSC 在處理更復雜的數(shù)字控制算法和先進電機控制系統(tǒng)方面具有高性能處理能力。

　　使用單一 dsPIC33 DSC 實現(xiàn)先進的電機控制系統(tǒng)

　　dsPIC33 DSC 的性能讓開發(fā)人員可以用單一 DSC，來處理核心數(shù)字控制回路以及各種輔助功能的執(zhí)行。事實上，Microchip 的雙電機設計［5］ 展示了僅使用一個單核 dsPIC33CK DSC，就實現(xiàn)了一對永磁同步電機 （PMSM） 的無傳感器磁場定向控制 （FOC）。此設計的關(guān)鍵在于，為每個電機控制通道、電機控制 1 （MC1） 和電機控制 2 （MC2） 的逆變器提供的移相 PWM 信號（圖 7）。

圖 7：一個單核 dsPIC33CK DSC 可以憑借自身的高性能處理能力和集成外設，支持雙電機控制設計。（圖片來源：Microchip Technology）

　　在此方法中，dsPIC33CK 的 PWM 經(jīng)過配置，可為每個電機控制通道生成所需的波形，并在最佳時機觸發(fā)獨立的 ADC。當每個 ADC 完成轉(zhuǎn)換時，會發(fā)出中斷，導致 dsPIC333CK 對該組讀數(shù)執(zhí)行 FOC 算法。

　　單個 dsPI33CK DSC 也可以處理更強大的電機控制應用。在高性能電動滑板車 （E-scooter） 的參考設計中，dsPIC33CK 為驅(qū)動無刷直流 （BLDC） 電機的三相逆變器，控制多個 FET 和 Microchip 的 MIC4104 柵極驅(qū)動器（圖 8）。

圖 8：使用單核 dsPIC33CK，開發(fā)人員只需幾個額外的元器件，就可以實現(xiàn)強大的電動滑板車電機控制子系統(tǒng)。（圖片來源：Microchip Technology）

　　電動滑板車參考設計［6］ 支持無傳感器和傳感器工作模式，因為其能夠監(jiān)測 BLDC 電機的反電動勢 （BEMF） 以及霍爾效應傳感器輸出。該設計可使用 18 至 24 V 的輸入電壓源，實現(xiàn) 350 W 的最大輸出功率。

　　在進一步擴展的設計中［7］，Microchip 展示了可新增用于 EV 和 HEV 的再生制動功能，以便在電機產(chǎn)生 BEMF 而電機端電壓高于車載電池的供電電壓時回收能量。在這里，增強的設計使用一個額外的 dsPIC33CK 引腳來監(jiān)測來自制動器的信號。當檢測到制動時，dsPIC33CK 首先關(guān)閉逆變器的高壓側(cè)柵極，將回收的電能提升到高于直流總線電壓的水平，然后關(guān)閉低壓側(cè)柵極，讓電流流回電源。

　　開發(fā)人員可以使用雙核 dsPIC33CH DSC 取代單核 dsPIC33CK 來擴展此設計，以支持更多功能。在這樣的設計中，一個核心能以最少的代碼更改來管理 BLDC 電機控制和再生制動功能，而另一個核心可以執(zhí)行額外的安全功能或高級應用。借助雙核 dsPIC33CH，電機控制開發(fā)團隊和應用開發(fā)團隊可以分開工作，并將其控制無縫整合到 DSC 上執(zhí)行。

　　對于定制電機控制設計，Microchip 的 motorBench 開發(fā)套件提供了圖形用戶界面 （GUI） 工具集，可幫助開發(fā)人員更準確地測量關(guān)鍵的電機參數(shù)，調(diào)整控制回路，并基于 Microchip 的電機控制應用框架 （MCAF） 和電機控制庫生成源代碼。

　　結(jié)語

　　借助 Microchip Technology 的 dsPIC33 DSC，開發(fā)人員只需相對較少的額外元器件就能為傳統(tǒng)汽車和電動汽車應用實現(xiàn)廣泛的數(shù)字電源設計。在豐富的軟件工具和參考設計的支持下，單核和雙核 dsPIC33 DSC 為快速開發(fā)電源轉(zhuǎn)換、無線充電、照明和電機控制等方面的優(yōu)化解決方案，提供了一個可擴展平臺。

　　參考資料：

　　Dr. H. Proff et al， 2020.Software is transforming the automotive world.Deloitte Insights.

　　https://www.microchip.com/en-us/development-tool/DC/DC-llc-resonant-converter

　　https://www.microchip.com/en-us/solutions/power-management-and-conversion/intelligent-power/wireless-power/15w-multi-coil-wireless-power-transmitter

　　https://www.microchip.com/en-us/solutions/power-management-and-conversion/intelligent-power/digital-lighting-control-and-drivers

　　Dual Motor Control with the dsPIC33CK White Paper

　　http://aem-origin.microchip.com/en-us/solutions/motor-control-and-drive/applications-and-reference-designs/e-scooter-reference-design

　　https://www.microchip.com/en-us/application-notes/an4064