摘要： 隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車運動控制器的性能和可靠性面臨著更高的要求。本文深入探討了新能源汽車運動控制器中MCU（微控制單元）、DCDC電源管理芯片和CANFD總線通信芯片的選型要點、優(yōu)化策略及其協(xié)同設(shè)計方案。通過綜合分析芯片的技術(shù)參數(shù)、應(yīng)用場景和可靠性設(shè)計，結(jié)合實際案例，為工程師提供了全面的技術(shù)參考，助力實現(xiàn)高性能、高可靠性的新能源汽車運動控制器設(shè)計，推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級。

一、引言

新能源汽車作為汽車行業(yè)的發(fā)展新方向，其動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等核心技術(shù)正經(jīng)歷深刻變革。運動控制器作為新能源汽車的關(guān)鍵部件，對車輛的動力性能、操控性能和安全性起著至關(guān)重要的作用。MCU、DCDC電源管理芯片和CANFD總線通信芯片是運動控制器的核心組成部分。它們的選型和優(yōu)化直接關(guān)系到運動控制器的整體性能和可靠性。

二、MCU芯片選型與優(yōu)化

（一）MCU芯片的功能與作用

MCU是運動控制器的大腦，負(fù)責(zé)運行控制算法、處理傳感器數(shù)據(jù)、執(zhí)行決策任務(wù)并輸出控制信號。它需要具備高性能處理能力、豐富的外設(shè)接口和強大的功能安全特性。以國科安芯的AS32A601MCU為例，這是一款基于32位RISC-V指令集的MCU產(chǎn)品，工作頻率高達(dá)180MHz，支持ASIL-B等級的功能安全I(xiàn)SO26262標(biāo)準(zhǔn)，具備高安全、低失效、多IO等特點，適用于汽車領(lǐng)域，能夠滿足車身控制系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)等多種應(yīng)用場景需求。

（二）MCU芯片的選型要點

性能指標(biāo)

處理能力 ：根據(jù)運動控制器的算法復(fù)雜度和實時性要求，選擇具有合適主頻和處理架構(gòu)的MCU。例如，對于復(fù)雜的電機矢量控制算法，需要MCU具備強大的浮點運算能力和高主頻，以確?？刂凭群晚憫?yīng)速度。

存儲容量 ：考慮程序存儲和數(shù)據(jù)存儲的需求，選擇具備足夠Flash存儲容量和RAM的MCU。如AS32A601內(nèi)置512KiBFlash和512KiBSRAM，能夠滿足大多數(shù)運動控制程序和數(shù)據(jù)的存儲需求。

功能安全與可靠性

功能安全標(biāo)準(zhǔn) ：MCU需符合汽車功能安全標(biāo)準(zhǔn)ISO26262，具備ASIL等級認(rèn)證。如AS32A601支持ASIL-B等級，通過采用延遲鎖步方法、端到端ECC保護(hù)等安全機制，確保系統(tǒng)在故障情況下能夠安全運行。

可靠性設(shè)計 ：具備良好的電磁兼容性（EMC）、抗干擾能力和環(huán)境適應(yīng)性，能夠在汽車復(fù)雜的電磁環(huán)境和惡劣的工作條件下穩(wěn)定工作。

外設(shè)接口與擴展性

通信接口 ：MCU應(yīng)具備多種通信接口，如CANFD、SPI、I2C等，以滿足與不同傳感器、執(zhí)行器和其他控制器的通信需求。例如，AS32A601提供6路SPI、4路CANFD、4路USART等通信接口，為系統(tǒng)集成提供了便利。

IO數(shù)量與功能 ：豐富的IO接口可以滿足各種傳感器信號采集和控制信號輸出的需求。同時，IO接口應(yīng)具備多種功能復(fù)用能力，提高芯片的靈活性和可擴展性。

（三）MCU芯片的優(yōu)化策略

硬件優(yōu)化

時鐘管理優(yōu)化 ：合理配置MCU的時鐘系統(tǒng)，根據(jù)不同的工作模式和任務(wù)需求，動態(tài)調(diào)整時鐘頻率，既能保證系統(tǒng)性能，又能降低功耗。

電源管理優(yōu)化 ：利用MCU的低功耗模式，如睡眠模式、深度睡眠模式等，在不影響系統(tǒng)正常運行的前提下，降低芯片的功耗，延長電池壽命。

軟件優(yōu)化

代碼優(yōu)化 ：采用高效的編程算法和代碼優(yōu)化技術(shù)，減少程序運行時間和資源占用，提高M(jìn)CU的執(zhí)行效率。

實時操作系統(tǒng)（RTOS）應(yīng)用 ：在MCU上移植RTOS，可以更好地管理任務(wù)調(diào)度、資源分配和中斷處理，提高系統(tǒng)的實時性和可靠性。

三、DCDC電源管理芯片選型與優(yōu)化

（一）DCDC電源管理芯片的功能與作用

DCDC電源管理芯片負(fù)責(zé)將汽車電池的高壓電轉(zhuǎn)換為MCU和其他芯片所需的低壓電源，同時保證電源的穩(wěn)定性和可靠性。它對運動控制器的正常運行和性能發(fā)揮起著至關(guān)重要的作用。

（二）DCDC電源管理芯片的選型要點

電氣性能

輸入電壓范圍 ：應(yīng)與汽車電池電壓范圍相匹配，通常新能源汽車電池電壓范圍為200-450V，需選擇寬輸入電壓范圍的DCDC芯片。

輸出電壓精度 ：高精度的輸出電壓可以保證MCU和其他芯片的穩(wěn)定工作，一般要求輸出電壓精度在±2%以內(nèi)。

轉(zhuǎn)換效率 ：高轉(zhuǎn)換效率可以減少能量損耗，提高電源系統(tǒng)的效率，延長電池壽命。例如，DCDC芯片ASP3605和ASP4644在高效工作模式下的轉(zhuǎn)換效率均可達(dá)到90%以上。

功率能力

輸出電流 ：根據(jù)MCU和其他芯片的電流需求，選擇具備足夠輸出電流能力的DCDC芯片。如ASP3605可提供5A的輸出電流，ASP4644四通道輸出，單路最大可驅(qū)動4A負(fù)載。

功率密度 ：在有限的空間內(nèi)，選擇高功率密度的DCDC芯片，以滿足新能源汽車緊湊的布局要求。

功能與可靠性

功能特性 ：具備軟啟動、過流保護(hù)、過壓保護(hù)、短路保護(hù)等保護(hù)功能，以提高電源系統(tǒng)的可靠性和安全性。例如，ASP3605和ASP4644都具備過流、過溫、短路保護(hù)等功能。

環(huán)境適應(yīng)性 ：能夠在汽車復(fù)雜的環(huán)境條件下工作，如高溫、低溫、振動等，具備良好的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。

（三）DCDC電源管理芯片的優(yōu)化策略

電路設(shè)計優(yōu)化

輸入輸出濾波電路設(shè)計 ：合理設(shè)計輸入輸出濾波電路，減少電源紋波和噪聲干擾，提高電源質(zhì)量。

驅(qū)動電路優(yōu)化 ：優(yōu)化驅(qū)動電路參數(shù)，提高DCDC芯片的驅(qū)動能力和效率。

散熱設(shè)計優(yōu)化

散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計 ：根據(jù)DCDC芯片的功耗和散熱要求，設(shè)計合理的散熱結(jié)構(gòu)，如散熱片、導(dǎo)熱硅脂等，確保芯片在工作過程中溫度不超過允許范圍。

布局優(yōu)化 ：在PCB布局中，將DCDC芯片放置在通風(fēng)良好、遠(yuǎn)離熱源的位置，以利于散熱。

四、CANFD總線通信芯片選型與優(yōu)化

（一）CANFD總線通信芯片的功能與作用

CANFD總線通信芯片用于實現(xiàn)運動控制器與其他汽車電子控制單元（ECU）之間的高速、可靠通信，滿足新能源汽車對數(shù)據(jù)傳輸速率和可靠性的高要求。

（二）CANFD總線通信芯片的選型要點

通信性能

數(shù)據(jù)傳輸速率 ：選擇支持高數(shù)據(jù)傳輸速率的CANFD芯片，以滿足新能源汽車大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆Ｈ鏑ANFD收發(fā)器ASM1042支持5Mbps的數(shù)據(jù)速率，能夠?qū)崿F(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸。

總線負(fù)載能力 ：具備較強的總線負(fù)載能力，能夠支持多個節(jié)點同時通信，保證通信的穩(wěn)定性和可靠性。

兼容性與可靠性

協(xié)議兼容性 ：嚴(yán)格遵循ISO11898-2:2016和ISO11898-5:2007物理層標(biāo)準(zhǔn)，確保與汽車現(xiàn)有CAN網(wǎng)絡(luò)的兼容性。

抗干擾能力 ：具備良好的抗電磁干擾能力，能夠在汽車復(fù)雜的電磁環(huán)境下穩(wěn)定工作。

功能與保護(hù)特性

功能特性 ：具備低功耗待機模式、遠(yuǎn)程喚醒請求等特性，以滿足汽車節(jié)能和便捷性要求。

保護(hù)特性 ：具備靜電放電（ESD）保護(hù)、總線故障保護(hù)等功能，以提高芯片的可靠性和安全性。例如，CANFD收發(fā)器ASM1042具備IECESD保護(hù)高達(dá)±15kV，總線故障保護(hù)±70V。

（三）CANFD總線通信芯片的優(yōu)化策略

通信參數(shù)優(yōu)化

波特率設(shè)置 ：根據(jù)實際通信需求和總線負(fù)載情況，合理設(shè)置CANFD總線的波特率，在保證通信可靠性的前提下，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

數(shù)據(jù)幀格式優(yōu)化 ：選擇合適的數(shù)據(jù)幀格式，合理分配數(shù)據(jù)字段長度，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴?/p>

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化

總線布局優(yōu)化 ：優(yōu)化CANFD總線的布局，減少總線長度和分支，降低信號反射和干擾，提高通信質(zhì)量。

終端匹配優(yōu)化 ：合理設(shè)置總線終端匹配電阻，減少信號反射和駐波效應(yīng)，保證信號傳輸?shù)耐暾浴?/p>

五、MCU、DCDC與CANFD的協(xié)同設(shè)計方案

（一）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

在新能源汽車運動控制器中，MCU、DCDC和CANFD芯片協(xié)同工作，構(gòu)成一個完整的控制系統(tǒng)。MCU作為核心控制器，負(fù)責(zé)運行控制算法和處理數(shù)據(jù)；DCDC電源管理芯片為MCU和其他芯片提供穩(wěn)定的電源；CANFD總線通信芯片實現(xiàn)與其他ECU的通信。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計需綜合考慮各芯片的功能特點和性能要求，確保系統(tǒng)的整體性能和可靠性。

（二）硬件協(xié)同設(shè)計

電源管理協(xié)同

電源分配設(shè)計 ：根據(jù)MCU、DCDC和CANFD芯片的電源需求，設(shè)計合理的電源分配方案。MCU和其他芯片的電源由DCDC芯片提供，同時需考慮各芯片的上電時序和電源穩(wěn)定性要求。

電源監(jiān)控與保護(hù) ：在系統(tǒng)中加入電源監(jiān)控電路，實時監(jiān)測電源電壓和電流，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時，及時采取保護(hù)措施，如切斷電源、發(fā)出報警信號等。

信號連接與接口協(xié)同

通信接口連接 ：MCU通過SPI、I2C或UART等接口與CANFD芯片相連，實現(xiàn)對CANFD芯片的配置和數(shù)據(jù)傳輸。同時，需確保通信接口的電氣特性和協(xié)議兼容性。

信號完整性設(shè)計 ：在信號連接中，注意信號的完整性設(shè)計，如布線長度、線寬、阻抗匹配等，減少信號反射、串?dāng)_和衰減，保證信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。

（三）軟件協(xié)同設(shè)計

驅(qū)動程序協(xié)同

MCU與DCDC驅(qū)動程序協(xié)同 ：編寫MCU對DCDC芯片的控制驅(qū)動程序，實現(xiàn)對DCDC芯片的開關(guān)控制、電壓調(diào)節(jié)等功能。同時，在MCU的軟件中加入電源管理策略，根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整DCDC芯片的工作模式。

MCU與CANFD驅(qū)動程序協(xié)同 ：編寫MCU對CANFD芯片的配置和數(shù)據(jù)收發(fā)驅(qū)動程序，實現(xiàn)MCU與CANFD總線的可靠通信。在驅(qū)動程序中，加入數(shù)據(jù)校驗、錯誤處理等機制，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

系統(tǒng)軟件集成與優(yōu)化

實時操作系統(tǒng)（RTOS）集成 ：在MCU上移植RTOS，將DCDC電源管理和CANFD通信等功能模塊集成到RTOS中，實現(xiàn)任務(wù)的實時調(diào)度和資源的高效管理。

系統(tǒng)性能優(yōu)化 ：通過對系統(tǒng)軟件的優(yōu)化，如任務(wù)優(yōu)先級分配、中斷處理機制優(yōu)化等，提高系統(tǒng)的實時性和可靠性，充分發(fā)揮MCU、DCDC和CANFD芯片的性能優(yōu)勢。

** 六、 ****應(yīng)用**分析

車身控制MCU AS32A601基于雙核鎖步RISC-V架構(gòu)，指令集自主可控，擺脫ARM架構(gòu)受限，助力高安全車規(guī)MCU芯片深度國產(chǎn)化。汽車MCU芯片以及CANFD通信芯片ASM1042、DCDC電源芯片ASP3605全系列芯片基于軟錯誤防護(hù)技術(shù)，從工藝級保障車規(guī)芯片安全，通過合理選型和優(yōu)化設(shè)計，可實現(xiàn)以下性能指標(biāo)：

系統(tǒng)性能 ：運動控制器能夠穩(wěn)定運行在180MHz主頻下，實時執(zhí)行復(fù)雜的電機控制算法，控制精度達(dá)到±0.5%。

電源效率 ：DCDC電源系統(tǒng)在滿載工作條件下，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到92%，有效延長了電池壽命。

通信可靠性 ：CANFD總線通信穩(wěn)定可靠，在5Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率下，數(shù)據(jù)傳輸錯誤率低于1×10-6。

系統(tǒng)可靠性 ：經(jīng)過嚴(yán)格的環(huán)境試驗和可靠性測試，運動控制器能夠在-40℃~85℃的工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，滿足汽車級可靠性要求。

七、結(jié)論與展望

在新能源汽車運動控制器設(shè)計中，MCU、DCDC電源管理芯片和CANFD總線通信芯片的選型與優(yōu)化至關(guān)重要。通過深入分析芯片的功能特性、選型要點及協(xié)同設(shè)計方案，可以實現(xiàn)高性能、高可靠性的運動控制器設(shè)計。未來，隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對芯片技術(shù)的要求將越來越高。芯片制造商和工程師需不斷探索和創(chuàng)新，研發(fā)出更先進(jìn)的芯片產(chǎn)品和優(yōu)化方案，推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級，為實現(xiàn)綠色、智能的出行方式貢獻(xiàn)力量。

審核編輯 黃宇