采用創(chuàng)新型 C29 內(nèi)核的 MCU 如何提升高壓系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能

實(shí)時(shí)微控制器 (MCU) 在幫助高壓汽車和能源基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)滿足電源效率、功率密度和安全設(shè)計(jì)要求方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。無(wú)論是車載充電器 (OBC) 還是不間斷電源 (UPS)，這些設(shè)備都必須在惡劣環(huán)境中為時(shí)間關(guān)鍵型任務(wù)提供快速、確定性的性能。

F29H85x 系列 C2000TM MCU 基于 TI 的 C29 內(nèi)核，專為應(yīng)對(duì)高壓系統(tǒng)中嚴(yán)苛的處理和安全設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)。這 些 MCU 性能顯著提升，是前代 TI C28 內(nèi)核及市場(chǎng)上其他 MCU 的兩到五倍，并配備先進(jìn)的集成式功能安全和信息安全元件，可幫助工程師優(yōu)化系統(tǒng)的可靠性和完整性，同時(shí)降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性和成本。

C29 內(nèi)核的創(chuàng)新包括:

• 重新設(shè)計(jì)的平臺(tái)：

VLIW 架構(gòu)與全面保護(hù)式流水線結(jié)合，支持并行執(zhí)行最多八條指令。

• 新編譯器：

通過基于 LLVM/Clang 的編譯器提升性能

• 重新設(shè)計(jì)的中斷性能：

硬件支持實(shí)時(shí)中斷的快速自動(dòng)背景保存和恢復(fù)。新的中斷控制器

• 增強(qiáng)的平臺(tái)性能：

采用低延遲存儲(chǔ)器和外設(shè)互連設(shè)計(jì)，具有內(nèi)置功能安全和信息安全機(jī)制

本文探討了 F29H859TU-Q1 和 F29H850TU 等實(shí)時(shí)控制 MCU 及其 C29 內(nèi)核如何幫助工程師在電動(dòng)汽車子系統(tǒng)（如 OBC 以及高壓和低壓直流/直流轉(zhuǎn)換器）和能源基礎(chǔ)設(shè)施（如光伏逆變器和 UPS）中提供更高的處理能力、 電源效率和快速開關(guān)頻率。

增強(qiáng)電動(dòng)汽車的實(shí)時(shí)控制能力

通過在 OBC、高壓和低壓直流/直流轉(zhuǎn)換器等電動(dòng)汽車子系統(tǒng)以及主機(jī)集成系統(tǒng)中使用集成度更高的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)人員可以提高電源效率，降低系統(tǒng)成本和減輕重量，并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)中安全功能的管理。

通常，在單個(gè) MCU 中執(zhí)行多個(gè)應(yīng)用需要每個(gè)功能具有專用的內(nèi)核。例如，一個(gè)內(nèi)核專用于 OBC，另一個(gè)內(nèi)核專用于高壓和低壓直流/直流轉(zhuǎn)換器。通過使用 F29H85x 系列 MCU，設(shè)計(jì)人員可以通過鎖步方式分配該 MCU 三個(gè)內(nèi)核中的兩個(gè)來(lái)處理主機(jī) MCU 所需的關(guān)鍵功能，例如 AUTOSAR 和 ASIL-D 完整性等級(jí)下的重要功能安全和信息安全任務(wù)，而剩余的一個(gè)內(nèi)核則負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)的控制功能。

C29 內(nèi)核與功能安全和信息安全單元 (SSU) 集成，可以在同一內(nèi)核中無(wú)縫執(zhí)行多個(gè)控制功能，同時(shí)防止這些功能相互干擾。這樣可以保持功能之間的完全隔離并且不受干擾。

F29H85x 系列 MCU 通過支持新的控制拓?fù)浜退惴ǎɡ缇仃囖D(zhuǎn)換器拓?fù)洌?，進(jìn)一步提高了汽車系統(tǒng)的性能，這些都得益于增強(qiáng)的 EPWM 功能。這些功能包括一個(gè)復(fù)雜的比較方案，該方案還集成了安全檢查機(jī)制，例如保證最小死區(qū)和非法組合邏輯。此外，這些 MCU 中的集成 ADC 提供硬件過采樣和結(jié)果安全校驗(yàn)器等功能來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的檢測(cè)，從而更大限度地減少常見任務(wù)所需的軟件開銷。

增強(qiáng)能源基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)時(shí)控制

與汽車系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)類似，能源基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員也必須滿足對(duì)更高系統(tǒng)效率不斷增長(zhǎng)的需求。支持能源基礎(chǔ)設(shè)施的系統(tǒng)，例如光伏逆變器和 UPS（圖 1），必須能夠提供越來(lái)越多的能源，同時(shí)還要抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊。

圖 1 用于服務(wù)器堆棧的不間斷電源

為了實(shí)現(xiàn)更高的電源效率和功率密度，設(shè)計(jì)人員可以利用寬帶隙半導(dǎo)體（SiC 和 GaN）和 F29H85x 系列 MCU 來(lái) 提高功率電子器件的開關(guān)和控制環(huán)路頻率。增加控制環(huán)路頻率可以提高電源轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)電源效率和功率密度，同 時(shí)允許使用電容器和電感器等更小的無(wú)源器件，從而進(jìn)一步減少占用的布板空間。

從安全角度來(lái)看，將硬件安全模塊 (HSM) 和 SSU 與 C29 內(nèi)核集成在一起有助于保護(hù)能源基礎(chǔ)設(shè)施免受潛在惡意軟件的影響。SSU 有助于防止惡意軟件中斷 MCU 內(nèi)運(yùn)行中的功能，同時(shí)保護(hù)內(nèi)存和外設(shè)，確保不影響實(shí)時(shí)性能。SSU 自動(dòng)管理和切換硬件中的存儲(chǔ)器和外設(shè)訪問權(quán)限。SSU 與 C29 CPU 配合使用，管理每個(gè)獨(dú)立應(yīng)用功能 的獨(dú)立堆棧指針和堆棧存儲(chǔ)器，并針對(duì)惡意軟件和其它網(wǎng)絡(luò)攻擊提供安全保護(hù)。

F29H85x MCU 的架構(gòu)支持 A/B 閃存組，有助于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)固件更新 (LFU)，停機(jī)時(shí)間幾乎為零。除了編程后對(duì)內(nèi) 容進(jìn)行基本的閃存控制器驗(yàn)證之外，HSM 還負(fù)責(zé)驗(yàn)證更新的整體完整性。該架構(gòu)還支持將軟件更新回滾到之前版本，并且可以永久阻止關(guān)鍵安全更新的回滾。

結(jié)語(yǔ)

隨著人們對(duì)高效安全能源設(shè)計(jì)的需求不斷增長(zhǎng)，F(xiàn)29H85x 系列 MCU 和 C29 內(nèi)核將幫助推動(dòng)高壓應(yīng)用的未來(lái)發(fā)展。這些功能強(qiáng)大的 MCU 可幫助設(shè)計(jì)人員簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降低成本并增強(qiáng)可靠性，從而擴(kuò)展當(dāng)前系統(tǒng)。