专用 MCU 如何满足车载充电器设计需求

解决“里程焦虑”对于专注于电动汽车 (EV) 的工程师来说至关重要。由内燃机 (ICE) 车辆的续航里程和加油体验决定，消费者的期望很难改变。

电池容量是一个考虑因素。随着设计人员努力通过扩大储能容量和逐步提高效率来优化范围，它的尺寸和电压都在增加。汽车电子设备（尤其是线束）的尺寸和重量也是优化的目标。这些因素对车辆每次充电的续航里程有重大影响；然而，它们是一把双刃剑。更大的电池充电时间更长；在越野旅行中在充电站停车 4 小时是不可能的。

更高的直流母线电压需要采用不同的能量转换技术；和车辆模块必须展现出符合 ISO 26262 标准的安全可靠的性能。此外，提高能量密度 (kW/l) 和比功率 (kW/kg) 等某些关键性能指标 (KPI) 目标使 OBC 等系统的设计更具挑战性。

图 1：OBC 是电动汽车能源价值链的关键部分。资料：意法半导体

OBC架构

车载充电器 (OBC) 是能源“价值链”的关键部分（图 1）。电池的大小决定了 OBC 的额定输出功率；它的主要作用是将来自电网的能量转换为电池管理系统 (BMS) 用于为电池组充电的直流电。OBC 必须这样做，同时遵守严格的排放要求并满足其 KPI。

  
图 2：电源设计师在 EV 中采用不同的 OBC 架构。资料：意法半导体

设计人员采用不同的架构来实现他们的目标（图 2）。他们根据几个目标在这些方法中进行选择，包括输入电源的性质（相数）、成本/效率目标，以及设计是否需要支持车辆到电网 (V2G) 能量传输，需要双向架构. 另一方面，模块的体积和重量主要由电容器、电感器和变压器等分立元件决定（图 3）。这些组件限制了能量密度性能。

图 3：以上示例显示了基于 SiC 的 OBC 参考设计。资料：意法半导体

800V 或更高电压的电动汽车出现更高的电压，推动了宽带隙 (WBG) 半导体技术在能量转换应用中的使用；特别是那些连接到 DC-link 总线的，包括 OBC、BMS 和牵引逆变器。对于 OBC，碳化硅 (SiC) 或氮化镓 (GaN) 正在成为支持更高电压和额定功率的技术。

SiC 是理想选择，因为它支持在非常高的电压和温度下高效运行。它还降低了成本和尺寸，因为它需要体积更小且更便宜的冷却设备。SiC 和 GaN 支持比硅更高的开关频率，并且当与更快的控制回路结合使用时，WBG 器件可以显着缩小图 3 中所示的分立元件的空间要求。接下来，具有增强数字控制功能的微控制器架构支持更快的开关和控制回路，从而提供有助于实现能量密度和成本等设计目标的集成度。

传统MCU的缺点

当然，EV 系统提出了独特的挑战，必须通过量身定制的解决方案来解决。这在微控制器的选择上很明显。传统的汽车 MCU，例如专为 ICE 车辆动力总成设计的 MCU，并不是为支持电气化设计要求所需的基本数字、模拟和系统级功能而设计的。例如，大多数传统汽车 MCU 无法支持高开关频率以享受 WBG 技术的优势。

图 4：传统的 MCU 并非设计用于支持 WBG 晶体管的更高开关频率。资料：意法半导体

许多这些传统汽车 MCU 支持低于 150 kHz 的 PWM 开关频率，并且缺乏 PWM 分辨率，无法利用 OBC 中用于功率因数校正 (PFC) 和 DC-DC 转换器级的关键 WBG 技术。例如，某些 200 MHz MCU 为定时器/PWM 提供低至 80 MHz 的输入时钟。在这种情况下，如果所需的 PWM 频率为 150 kHz，则 MCU 将仅支持 9 位 PWM 分辨率。

对于 OBC，此功能不适合基于硅 MOSFET 的实现，更不用说 WBG 设备了。虽然图 4 强调了开关频率的重要性，但 PWM 分辨率也是一个重要方面，因为它在很大程度上决定了根据模数转换器 (ADC) 测量的输入参数激活/停用开关的时序。

为了充分发挥 SiC/GaN 器件的潜力，设计必须优化控制回路。这需要具有高分辨率的更快 PWM、的死区时间控制、更快的 ADC 和更快的计算以减少控制环路时序。此外，ADC 样本应与 PWM 输出控制同步。因此，MCU 的功能对 OBC 重量、尺寸和成本有重大影响。图 5 显示了使用传统 MCU 的 OBC 的框图。该系统采用外部 DSP 进行控制环路，采用外部比较器进行保护。

 
图 5：框图显示了使用传统 MCU 的典型 OBC 系统。资料：意法半导体

在典型的 PFC 或 DC-DC 控制回路中，MCU 测量电压和电流。接下来，MCU 和 DSP 对这些测量值运行算法，然后控制 PWM 的占空比。控制回路时序取决于：

电压/电流采样率
计算吞吐量
反应时间

控制/监控 OBC 中的电压/电流需要高 ADC 采样率和良好的 CPU 吞吐量 (DMIPS)，并通过数学加速器进行增强。这些决定了算法的执行时间。PWM 通道的数量和相关的分辨率决定了输出控制的速度和精度以及器件中可能的转换器级集成度。例如，并联输出级用于增加输出功率；并且这种配置需要同时对两个阶段的电流和电压进行采样。这需要四个 ADC 实例；因此，不仅通道数量很重要，实例数量也很重要。

硅 MOSFET 需要更长的死区时间以限度地减少开关损耗，而 SiC/GaN 允许更短的死区时间。较短的死区时间增加了可以在一个周期内从输入传输到输出的功率。大多数传统 MCU 无法支持这些小死区时间。

OBC 必须包括针对过电流、过电压和过热条件的保护。通常，模拟比较器用于检测这些故障并尽快控制输出以避免损坏。这些比较器需要非常快的响应时间。并非专为这些应用而构建的 MCU 可能没有比较器，或者它们的响应时间太长，使它们不适合在 OBC 中实施保护。即使使用外部比较器来实现保护机制，它们也需要数模转换器 (DAC) 来生成参考，而大多数 MCU 通常没有任何或足够的外部 DAC。此外，使用外部比较器会增加解决方案的封装尺寸和成本。

超越控制循环机制
除了控制回路和保护机制之外，还应仔细检查其他方面。
无线 (OTA) 固件升级支持
功能安全（ISO 26262）
安全

汽车设计周期正在加速，原始设备制造商必须不断提供新功能以跟上竞争步伐；因此，车辆正在成为“软件定义”。这可以实现固件功能的货币化。这些方面都需要支持售后固件升级；因此，MCU 必须支持 OTA 更新。

汽车设计也需要功能安全。尽管每个 OBC 的设计要求可能不同，但在大多数情况下，系统必须支持 ASIL-B 到 ASIL-D。并非所有 MCU 都支持锁步内核，而其他 MCU 则禁止使用独立执行。设计人员选择锁步或独立执行内核的能力为支持各种安全完整性级别提供了更大的灵活性。这允许针对成本和可扩展性优化设计。

而且，对于联网汽车，网络攻击的风险更大。因此，OBC 可能需要 Evita Lite 或 Evita Medium 安全性来应对此类威胁。这种安全性对于连接到电网的车辆尤为重要。

为了促进电气化，一些 MCU 供应商提供了满足这些新要求的设备。Stellar E1 (SR5E1)就是一个例子，它将标准 MCU 和 DSP 功能集成到单个设备中，为 OBC 提供单芯片解决方案。图 6 显示了一个非常的 OBC 实现框图。