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車載充電器設計助攻專用MCU需求

作者 : John Johnson和Sachin Gupta，STMicroelectronics

具有增強數位控制功能的先進MCU架構，能夠支援更快的開關和控制迴路，從而為OBC提供可實現能量密度和成本等設計目標…

解決「里程焦慮」對於專注於電動車(EV)的工程師來說至關重要。然而，由於內燃引擎(ICE)車輛更長續航里程以及快速方便的加油體驗，消費者的期望很難改變。

電池容量是考慮因素之一。隨著設計人員努力透過擴大儲能容量和逐步提高效率來最佳化續航里程，其尺寸和電壓正日益增加。汽車電子產品的尺寸和重量，尤其是線束，也是最佳化的目標之一。這些因素對每次充電的車輛續航里程有著重大影響，然而，它們是一把雙刃劍。更大的電池需要更長的充電時間，在長途的公路旅行中，沒人能忍受在充電站停車4小時的時間等待充滿電。

更高的直流鏈路(DC-Link)電壓需要採用不同的能量轉換技術，車輛模組也必須具有符合ISO 26262標準的安全與可靠等先進性能。此外，某些關鍵性能指標(KPI)目標，例如提高能量密度(kW/L)和特定功率(kW/kg)，使得車載充電器(On-board charger；OBC)等系統的設計更具挑戰性。

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圖1：OBC是電動車能源價值鏈的關鍵部份。(圖片來源：STMicroelectronics)

OBC架構

OBC是能源「價值鏈」的關鍵部份(圖1)。電池的大小決定了OBC的輸出功率，它的主要作用是將來自電網的能量轉換為電池管理系統(BMS)的直流電，從而為電池組充電。OBC必須這樣做，同時遵守嚴格的排放要求並滿足其KPI。

圖2：電源設計人員在電動車中採用不同的OBC架構。

設計人員採用不同的架構來實現其目標(圖2)。他們通常根據幾個目標——包括輸入功率的性質(相數)、成本/效率目標，以及設計是否需要支援車輛對電網(V2G)的能量傳輸(需要雙向架構)進行選擇。另一方面，模組的體積和重量很大程度上取決於電容器、電感器和變壓器等離散式元件(圖3)。這些元件限制了能量密度性能。

圖3：基於SiC的OBC參考設計。(圖片來源：STMicroelectronics)

800V及以上電動車對於更高電壓的需求，推動了寬能隙(WBG)半導體技術在能量轉換應用中的使用，尤其是連接到DC-Link的那些應用，包括OBC、BMS和牽引逆變器。對於OBC，碳化矽(SiC)或氮化鎵(GaN)正成為支援更高電壓和額定功率的首選技術。

SiC是理想的選擇，因為它支援在非常高的電壓和溫度下高效運行。它還能降低成本和尺寸，因為它所需的冷卻裝置體積較小、價格低廉。SiC和GaN支援比矽更高的開關頻率，當與更快的控制迴路結合使用時，寬能隙元件可以顯著縮小對離散式元件的空間要求，如圖3所示。接下來，具有增強數位控制功能的先進MCU架構，能夠支援更快的開關和控制迴路，從而提供有助於實現能量密度和成本等設計目標的高整合度。

傳統MCU的缺點

當然，電動車系統帶來了獨特挑戰，必須以客製解決方案加以因應。這在MCU的選擇上很清楚。傳統的車輛MCU，例如為ICE車輛的動力系統所設計的MCU，並非專為支援電動化要求所需的基本數位、類比和系統級功能而設計的。例如，大多數傳統的車輛MCU都無法支援高開關頻率以取得寬能隙技術的優勢。

圖4：傳統MCU的設計無法支援寬能隙電晶體的更高開關頻率。

其中許多傳統車輛MCU所支援的PWM開關頻率低於150kHz，且其PWM解析度不夠，因此無法利用在OBC中對功率因數校正(PFC)和DC-DC轉換器級至關重要的寬能隙技術。例如，一些200MHz MCU所提供的計時器/PWM，其輸入時脈低至80MHz。在這種情況下，如果所需的PWM頻率為150kHz，則MCU將僅支援9位元PWM解析度。

對於OBC，此性能連基於矽MOSFET的實現都不適用，更不用說寬能隙元件了。雖然圖4強調開關頻率的重要性，但PWM解析度也是關注重點，因為它在很大程度上決定了根據類比數位轉換器(ADC)所測得輸入參數對開關啟動/停用的時序。

為了充份發揮SiC/GaN元件的潛力，必須對設計的控制迴路進行最佳化。這需要更快的PWM和高解析度、精確的停滯時間控制、更快的ADC與運算，從而減少控制迴路時序。此外，ADC樣本應與PWM輸出控制同步。因此，MCU的性能對OBC的重量、佔位面積和成本有重大影響。圖5顯示使用傳統MCU的OBC架構圖。該系統採用了外部DSP控制迴路和外部比較器進行保護。

圖5：使用傳統MCU的典型OBC系統。

在典型的PFC或DC-DC控制迴路中，MCU負責測量電壓和電流。接下來，MCU和DSP將對這些測量值運行演算法，然後控制PWM的工作週期。控制迴路時序取決於：

電壓/電流取樣速率
計算輸送量
反應時間

控制/監控OBC中的電壓/電流，需要高ADC取樣速率以及透過數學加速器增強的良好CPU輸送量(DMIPS)。它們決定了演算法的執行時間。PWM通道的數量和相關的解析度決定了輸出控制的速度和精度，以及元件中轉換器級的整合度。例如，並聯輸出級用於增加輸出功率，這種配置需要同時在兩個層級上採樣電流和電壓。這需要四個ADC實例；因此，不僅通道的數量很重要，實例的數量也很重要。

為了最大限度地減少開關損耗，矽MOSFET需要有更長的停滯時間，而SiC/GaN則可實現更短的停滯時間。短停滯時間增加了在一個週期內可以從輸入傳輸到輸出的功率。大多數傳統MCU無法支援如此小的停滯時間。

OBC必須包括針對過電流、過電壓和過溫條件的保護。我們通常使用類比比較器來檢測這些故障，並盡可能快速地控制輸出，從而避免損壞。這些比較器需要非常快的響應時間。因此，如果不是專為這些應用建構的MCU，可能沒有比較器，或者它們的響應時間太長，使其不適合在OBC中實現保護。即使使用外部比較器來實現保護機制，它們也需要數位類比轉換器(DAC)來產生參考，並且大多數MCU通常沒有任何或足夠的外部DAC。此外，使用外部比較器還會增加解決方案的尺寸和成本。

超越控制迴路機制

除了控制迴路和保護機制之外，還該應仔細檢查其他方面：

無線傳輸(OTA)韌體升級支援
功能安全(ISO 26262)
安全

汽車設計週期正持續加速，OEM廠商必須不斷提供新功能，才能跟上競爭的步伐，因此，車輛正在朝向「軟體定義」(software defined)趨勢，因而有助於實現韌體功能的貨幣化。這些方面都需要售後支援韌體升級，因此MCU必須能支援OTA更新。

汽車設計也需要滿足功能安全。儘管每個OBC的設計要求可能不同，但在大多數情況下，系統必須支援ASIL-B到ASIL-D標準。並非所有MCU都支援連續同步(Lockstep)核心，而其他MCU則會禁止使用獨立執行。設計人員能夠在Lockstep核心和獨立執行核心之間進行選擇，這為支援各種安全完整性層級提供了更大的靈活性。如此即可針對成本和可擴展性實現最佳化設計。

而且，對於連網汽車，網路攻擊的風險更大。因此，OBC可能需要具有EVITA Lite (電子安全車輛入侵防護應用精簡版)或EVITA Medium (實用版)安全性來因應此類威脅。這種安全性對於連接到電網的車輛尤其重要。

為了促進電氣化，一些MCU供應商提供了滿足這些新要求的元件。例如Stellar E1(SR5E1)車規級多校心處理器，它將標準MCU和DSP功能整合到單個元件中，為OBC提供了單晶片解決方案。圖6顯示了一個極高層級的OBC建置架構圖。

圖6：高階架構圖顯示了使用Stellar E1 MCU的三相雙向OBC。(圖片來源：STMicroelectronics)

Stellar E1是一款符合AEC-Q100標準的MCU，其中包括2個Arm Cortex-M7核心，因此一個核心可用於PFC迴路，另一個則可用於雙向OBC實現中的DC-DC級。為了支援快速控制迴路，Stellar E1包含一個CORDIC (座標旋轉數位電腦)數學加速器。該MCU包含12個解析度為104ps的高解析度計時器，以便支援大於1MHz的PWM開關頻率以及精確的停滯時間控制。再加上快速運算能力，該高解析度計時器取代了外部DSP。

這些元件還包括用於實現保護的晶片上快速比較器，並提供2.5MSPS 12位元SAR ADC，其於雙模式下可提供高達5MSPS的速度，從而提高控制迴路性能。該元件中的兩個MCU核心可以獨立運行(針對ASIL-B系統)，如果需要更高的安全性，也可以在Lockstep模式下執行。

專用MCU

更高的開關頻率可提高OBC的功率密度，從而減輕重量、空間和成本。為OBC量身打造的專用MCU能夠消除對外部DSP/DSC的需求，並且技援能夠進行高速開關和診斷的週邊裝置。OBC需要快速的控制迴路，包括複雜的運算以及透過各種感測器的緊密耦合反饋——因此，數學加速器和快速ADC至關重要。

此外，通常還需要其他功能，包括高速比較器，以及對韌體升級、安全和防護能力的支援。為此，諸如Stellar E1等電動車專用MCU，有助於解決OBC系統設計的關鍵痛點。

(參考原文：On-board charger design’s call for purpose-built MCUs，by John Johnson & Sachin Gupta)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2023年4月號雜誌