【導讀】該實(shí)時(shí)控制系列的前一部分重點(diǎn)介紹了實(shí)時(shí)控制信號鏈的傳感功能塊（圖 1）。很容易誤解第二個(gè)功能塊（處理），并假設它僅與核心中央處理單元 (CPU) 頻率或每秒百萬(wàn)條指令 (MIPS) 相關(guān)，僅關(guān)注數據處理。在本系列文章中，我將通過(guò)高性能電源系統的視角展示處理的價(jià)值，并消除對處理在實(shí)時(shí)控制系統中的作用的任何誤解。
圖 1：實(shí)時(shí)控制信號鏈
不斷增長(cháng)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、緊湊和穩定的電源系統。這一要求已經(jīng)引起了電源轉換系統的革命，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
如圖 2 所示，數據中心的不間斷電源必須連續運行。正如白皮書(shū)“結合使用 TI GaN FET 和 C2000Tm 實(shí)時(shí) MCU 實(shí)現功率密集且高效的數字電源系統”中所討論的，效率的提高可以迅速減少財政支出，通過(guò)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(shí)現這些好處，實(shí)現復雜的電源拓撲結構可能具有挑戰性，例如圖騰柱無(wú)橋功率因數校正（使用較少的無(wú)源耗能器件）或軟開(kāi)關(guān)控制（例如零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)）。
高性能實(shí)時(shí)微控制器 (MCU)（有些甚至帶有片上硬件加速器）可以通過(guò)更快的控制環(huán)路來(lái)實(shí)現這一目標。為了將其提升到一個(gè)新的水平，配備快速片上模數轉換器 (ADC) 和定制后處理功能的實(shí)時(shí) MCU 可以進(jìn)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(shí)時(shí)信號鏈的延遲。
圖 2：數據中心不間斷電源的性能驅動(dòng)因素
快速瞬態(tài)響應
服務(wù)器電源應用需要在不斷變化的負載條件下實(shí)現穩定可靠的運行，因此需要快速的瞬態(tài)響應。有幾種控制方案可以實(shí)現快速響應。由 C2000 和 GaN 實(shí)現 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(shí)間（目前的目標壓擺率接近 2.5A/μS 至 5A/μS）。實(shí)時(shí) MCU 通過(guò)以下方法在檢測和執行現實(shí)之間實(shí)現超低延遲：定義具有高 CPU 頻率/MIPS 的快速處理、對外設寄存器的快速訪(fǎng)問(wèn)、快速中斷響應、經(jīng)過(guò)優(yōu)化的控制代碼指令集、實(shí)時(shí)信號鏈支柱的緊密硬件耦合，以及 CPU 外部的專(zhuān)用邏輯（脈寬調制器 [PWM] 和比較器），可在限制下沖或過(guò)沖條件時(shí)提供故障或故障檢測響應。
高功率密度
圖 3 展示了直流/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成本，也是為了滿(mǎn)足分布式電源開(kāi)放標準聯(lián)盟等監管標準（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(méi)有散熱器的情況下減少散熱成為一項挑戰，而采用氮化鎵和碳化硅等寬帶隙功率器件來(lái)實(shí)現更高的開(kāi)關(guān)頻率并滿(mǎn)足這些小設計尺寸可能會(huì )更加麻煩。憑借其固有的架構和片上數學(xué)增強器，實(shí)時(shí) MCU 的處理能力使復雜的時(shí)間關(guān)鍵型數據計算成為可能。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(shū)“了解提高功率密度的利弊權衡和所需技術(shù)”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等功能，以及可配置邏輯塊等其他功能部件，可以進(jìn)一步增強處理能力。
圖 3：具有減小外形尺寸趨勢的直流/直流轉換器
實(shí)時(shí) MCU 如何實(shí)現必要的處理能力
高效地支持當今的高性能電源系統是控制器的不同之處。TI 實(shí)時(shí) MCU 提供雙存儲器訪(fǎng)問(wèn)、單周期確定性執行、八相并行流水線(xiàn)總線(xiàn)、卓越的存儲器執行吞吐量、高效的加速器和統一的存儲器映射。其中一些還擁有協(xié)處理器或多核支持，以靈活地實(shí)現電源系統，以及實(shí)現安全、診斷、自適應算法和輔助控制任務(wù)的余量。請參閱應用手冊“展示 C2000 控制 MCU 優(yōu)化信號鏈的實(shí)時(shí)基準測試”，獲取更多信息。
結語(yǔ)
盡管復雜的控制算法使電源系統具有低 THD、高功率密度和效率以及快速瞬變，但實(shí)際實(shí)現需要的不僅僅是數學(xué)功能和控制器帶來(lái)的更高兆赫速度。由于從傳感到驅動(dòng)的時(shí)序在定義性能方面也起著(zhù)至關(guān)重要的作用，專(zhuān)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(shí)時(shí) MCU 可以滿(mǎn)足當今全面的系統需求，以及面向未來(lái)的可擴展解決方案。
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