實時控制系列的前一部分重點介紹了實時控制信號鏈的傳感功能塊（圖 1）。很容易誤解第二個功能塊（處理），并假設它僅與核心中央處理單元 (CPU) 頻率或每秒百萬條指令 (MIPS) 相關，僅關注數(shù)據(jù)處理。在本系列文章中，我將通過高性能電源系統(tǒng)的視角展示處理的價值，并消除對處理在實時控制系統(tǒng)中的作用的任何誤解。

圖 1：實時控制信號鏈

不斷增長的能源利用（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(wěn)定的電源系統(tǒng)。這一要求已經(jīng)引起了電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)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(shù)據(jù)中心的不間斷電源必須連續(xù)運行。效率的提高可以迅速減少財政支出，通過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，為了實現(xiàn)這些好處，實現(xiàn)復雜的電源拓撲結(jié)構可能具有挑戰(zhàn)性，例如圖騰柱無橋功率因數(shù)校正（使用較少的無源耗能器件）或軟開關控制（例如零電壓開關和零電流開關）。

高性能實時微控制器 (MCU)（有些甚至帶有片上硬件加速器）可以通過更快的控制環(huán)路來實現(xiàn)這一目標。為了將其提升到一個新的水平，配備快速片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和定制后處理功能的實時 MCU 可以進一步處理準確、快速的采樣以及電流和電壓的轉(zhuǎn)換，從而減少整體實時信號鏈的延遲。

快速瞬態(tài)響應

服務器電源應用需要在不斷變化的負載條件下實現(xiàn)穩(wěn)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現(xiàn)快速響應。由 C2000?和 GaN 實現(xiàn) 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間（目前的目標壓擺率接近 2.5A/μS 至 5A/μS）。實時 MCU 通過以下方法在檢測和執(zhí)行現(xiàn)實之間實現(xiàn)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問、快速中斷響應、經(jīng)過優(yōu)化的控制代碼指令集、實時信號鏈支柱的緊密硬件耦合，以及 CPU 外部的專用邏輯（脈寬調(diào)制器 [PWM] 和比較器），可在限制下沖或過沖條件時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(zhuǎn)換器通常需要在更小的空間內(nèi)提供更大的電源容量，這不僅是為了降低系統(tǒng)成本，也是為了滿足分布式電源開放標準聯(lián)盟等監(jiān)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，在沒有散熱器的情況下減少散熱成為一項挑戰(zhàn)，而采用氮化鎵和碳化硅等寬帶隙功率器件來實現(xiàn)更高的開關頻率并滿足這些小設計尺寸可能會更加麻煩。憑借其固有的架構和片上數(shù)學增強器，實時 MCU 的處理能力使復雜的時間關鍵型數(shù)據(jù)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“了解提高功率密度的利弊權衡和所需技術”中強調(diào)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?shù)裙δ?，以及可配置邏輯塊等其他功能部件，可以進一步增強處理能力。

圖 3：具有減小外形尺寸趨勢的直流/直流轉(zhuǎn)換器

實時 MCU 如何實現(xiàn)必要的處理能力

高效地支持當今的高性能電源系統(tǒng)是控制器的不同之處。TI 實時 MCU 提供雙存儲器訪問、單周期確定性執(zhí)行、八相并行流水線總線、卓越的存儲器執(zhí)行吞吐量、高效的加速器和統(tǒng)一的存儲器映射。其中一些還擁有協(xié)處理器或多核支持，以靈活地實現(xiàn)電源系統(tǒng)，以及實現(xiàn)安全、診斷、自適應算法和輔助控制任務的余量。

結(jié)語

盡管復雜的控制算法使電源系統(tǒng)具有低 THD、高功率密度和效率以及快速瞬變，但實際實現(xiàn)需要的不僅僅是數(shù)學功能和控制器帶來的更高兆赫速度。由于從傳感到驅(qū)動的時序在定義性能方面也起著至關重要的作用，專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時 MCU 可以滿足當今全面的系統(tǒng)需求，以及面向未來的可擴展解決方案。

編輯：黃飛

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