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。由于内燃机(ICE)车辆的续航里程和加油体验，消费者的期望很难改变。
电池容量是考虑因素之一。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。汽车电子设备的尺寸和重量，尤其是线束，也是优化的目标。这些因素对每次充电的车辆续航里程有着重大影响，然而，它们是一把双刃剑。更大的电池需要更长的充电时间，在越野旅行中在充电站停车4个小时是不可接收的。
更高的直流母线电压需要采用不同的能量转换技术，车辆模块必须具有符合ISO 26262标准的安全且可靠的尖端性能。此外，某些关键性能指标(KPI)目标，例如提高能量密度(kW/L)和比功率(kW/kg)，使车载充电器(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。(图片来源：意法半导体)
OBC是能源“价值链”的关键部分(图1)。电池的大小决定了OBC的输出功率，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)用来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：电源设计人员在电动汽车中采用不同的OBC架构。(图片来源：意法半导体)
设计人员会采用不同的架构来实现他们的目标(图2)。他们会根据几个目标——包括输入功率的性质(相数)、成本/效率目标，以及设计是否需要支持车辆到电网(V2G)的能量传输(需要双向架构)——在若干方法中进行选择。另一方面，模块的体积和重量很大程度上取决于电容器、电感器和变压器等分立元器件(图3)。这些元器件限制了能量密度性能。
图3：上述示例显示了基于SiC的OBC参考设计。(图片来源：意法半导体)
800V及以上电动汽车中更高电压的出现，推动了宽禁带(WBG)半导体技术在能量转换应用中的使用，尤其是连接到直流母线的那些应用，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首选技术。
SiC是理想的选择，因为它支持在非常高的电压和温度下高效运行。它还能降低成本和尺寸，因为它所需的冷却装置体积较小、价格低廉。SiC和GaN支持比硅更高的开关频率，当与更快的控制回路结合使用时，宽禁带器件可以显著缩小对分立元器件的空间要求，如图3所示。接下来，具有增强数字控制功能的先进MCU架构，能够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水平。
当然，电动汽车系统提出了必须通过量身定制的解决方案来解决的独特挑战。这在MCU的选择上很清楚。传统的汽车MCU，例如为ICE车辆的动力系统所设计的那些MCU，并不是为支持电动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，大多数传统的汽车MCU无法支持高开关频率来获得宽禁带技术的优势。
图4：传统MCU的设计不支持更高的宽禁带晶体管开关频率。(图片来源：意法半导体)
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其中许多传统汽车MCU所支持的PWM开关频率低于150kHz，并且PWM分辨率不够，因此无法利用在OBC中对功率因数校正(PFC)和DC-DC转换器级至关重要的宽禁带技术。例如，一些200MHz MCU所提供的定时器/PWM，其输入时钟低至80MHz。在这种情况下，如果所需的PWM频率为150kHz，则MCU将仅支持9位PWM分辨率。
对于OBC，此性能连基于硅MOSFET的实现都不适用，更不用说宽禁带器件了。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)所测得的输入参数对开关激活/停用的时序。
为了充分发挥SiC/GaN器件的潜力，就必须对设计的控制回路进行优化。这需要更快的PWM和高分辨率、精确的死区时间控制、更快的ADC和更快的计算，从而减少控制回路时序。此外，ADC样本应与PWM输出控制同步。因此，MCU的性能对OBC的重量、占位面积和成本有重大影响。图5显示了使用传统MCU的OBC的高级框图。该系统采用了外部DSP控制回路和外部比较器进行保护。
图5：此框图显示了使用传统MCU的典型OBC系统。(图片来源：意法半导体)
在典型的PFC或DC-DC控制回路中，MCU负责测量电压和电流。接下来，MCU和DSP将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：
控制/监控OBC中的电压/电流，需要高ADC采样率以及通过数学加速器增强的良好CPU吞吐量(DMIPS)。它们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，以及器件中转换器级的集成度。例如，并联输出级用于增加输出功率，这种配置需要同时在两个级上采样电流和电压。这需要四个ADC实例；因此，不仅通道的数量很重要，实例的数量也很重要。
为了最大限度地减少开关损耗，硅MOSFET需要有更长的死区时间，而SiC/GaN则可实现更短的死区时间。短死区时间增加了在一个周期内可以从输入传输到输出的功率。大多数传统MCU无法支持这样的小死区时间。
OBC必须包括针对过流、过压和过温条件的保护。我们通常使用模拟比较器来检测这些故障并尽可能快地控制输出，从而避免损坏。这些比较器需要非常快的响应时间。不是为这些应用专门构建的MCU，可能没有比较器，或者它们的响应时间太长，使得它们不适合在OBC中实现保护。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，并且大多数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尺寸和成本。
除了控制回路和保护机制之外，还应仔细检查其他方面：
汽车设计周期正在加速，OEM厂商必须不断提供新功能，才能跟上竞争的步伐，因此，车辆正在成为“软件定义”。这可以实现固件使能功能的货币化。这些方面需要售后支持固件升级，因此MCU必须支持OTA更新。
汽车设计也需要满足功能安全。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标准。并非所有MCU都支持锁步内核，而其他MCU则会禁止使用独立执行。设计人员能够在锁步内核和独立执行内核之间进行选择，这为支持各种安全完整性级别提供了更大的灵活性。这样就可针对成本和可扩展性优化设计。
而且，对于网联汽车，网络攻击的风险更大。因此，OBC可能需要具有EVITA Lite(电子安全车辆入侵防护应用精简版)或EVITA Medium(实用版)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其重要。
为了促进电气化，一些MCU供应商提供了满足这些新要求的器件。一个例子是Stellar E1(SR5E1)，它将标准MCU和DSP功能集成到单个器件中，为OBC提供了单芯片解决方案。图6显示了一个非常高级的OBC实现框图。
图6：此高级框图显示了使用Stellar E1 MCU的三相双向OBC。(图片来源：意法半导体)
Stellar E1是一款符合AEC-Q100标准的MCU，其中包括2个Arm Cortex-M7内核，因此一个内核可用于PFC回路，一个内核可用于双向OBC实现中的DC-DC级。为了支持快速控制回路，Stellar E1包含一个CORDIC(坐标旋转数字计算机)数学加速器。该MCU包含12个分辨率为104ps的高分辨率定时器，以便支持大于1MHz的PWM开关频率以及精确的死区时间控制。再加上快速计算能力，该高分辨率定时器取代了外部DSP。
这些器件还包括用于实现保护的片上快速比较器。此外，它们还提供了2.5MSPS 12位SAR ADC，其在双模式下可提供高达5MSPS的速度，从而提高了控制回路性能。该器件中的两个MCU内核可以独立运行(针对ASIL-B系统)，如果需要更高的安全性，也可以在锁步模式下运行。
Stellar E1 MCU实现了A/B交换OTA固件升级，因此有助于现场升级。此外，硬件安全模块(HSM)子系统提供了高达EVITA实用版的安全性来管理网络安全。
更高的开关频率可提高OBC的功率密度，从而减轻重量、空间和成本。为OBC量身定制的MCU消除了对外部DSP/DSC的需求，并且包括能够进行高速开关和诊断的外设。OBC需要快速的控制回路，包括复杂的计算和通过各种传感器的紧密耦合反馈——因此，数学加速器和快速ADC至关重要。
通常需要的其他功能包括高速比较器，以及对固件升级、安全和安保的支持。在此，诸如Stellar E1等电动汽车专用MCU，可以解决OBC系统设计的关键痛点。
John Johnson在意法半导体(ST)管理汽车系统营销部。
Sachin Gupta是ST汽车产品和分立器件产品部(ADG)的汽车MCU产品营销负责人。
（原文刊登于EDN美国版，参考链接：On-board charger design's call for purpose-built MCUs，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2022年12月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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