如何使用數位訊號控制器打造更好的汽車和電動運具系統

作者：Stephen Evanczuk

資料提供者：DigiKey 北美編輯群

2021-11-17

傳統的汽車及電動運具系統，皆需仰賴無數電子裝置進行有效的運作，以便提供便利的功能及關鍵任務型功能安全性能力。雖然這些不同的應用有著廣泛多樣的要求，但基本上都需要在極端條件下運作，同時又要提供可靠、高效能、即時回應的能力。

因此，開發人員迫切需要一種強大且穩定，同時具備完善支援及可擴充性的平台，以針對越來越多樣化的汽車和電動運具使用案例，協助簡化相關的設計及開發工作。

本文將探討 Microchip Technology 旗下滿足這些要求的數位訊號控制器 (DSC) 系列產品，並說明如何在公版設計中使用這些 DSC，以提供汽車和電動運具系統中不可或缺的功能。

多元化的設計挑戰需要靈活的解決方案

無論是傳統車輛還是電動車的設計，開發人員都要因應不斷增多的應用需求，包括電源轉換子系統、車內無線充電、數位照明系統，以及馬達控制系統，涵蓋相對簡單的步進馬達應用，一直到電動車 (EV) 與油電混合電動車 (HEV) 的複雜再生煞車系統。除了功能安全性的關鍵任務型要求外，設計覆蓋區和物料清單 (BOM) 要求的重要性也不斷提升，因為車廠一直在努力提高安全性、便利性、功能性及效能，以應對消費者的需求及競爭壓力。

為了滿足這些要求，業界幾乎已經針對各個汽車子系統，積極轉用數位解決方案。傳統客車內的子系統早已仰賴微控制器 (MCU)，且這些 MCU 所執行的軟體程式碼，要比商業飛機多四倍^[1]。

然而，在不斷演進的需求與競爭壓力下，早期的微控制器解決方案可能不足以因應當今汽車設計人員所面對的一系列要求。越來越多的電子子系統及相關的高電壓 DC/DC 轉換功能需要不同的電軌，特別是在 EV 方面，因此需要更精密複雜的數位控制能力。行動裝置的車內無線充電等其他應用，則帶來許多全新的設計要求，以打造多線圈無線電力發射器，以便與更多消費性裝置內建的業界標準電力接收器相容。汽車照明設計需要考量調光、溫度、元件老化及其他技術特性，以便提供更明亮的頭燈、賞心悅目的顏色及儀表板上的調光效果。最後，精準的數位控制馬達無所不在，即便是在傳統汽車內亦然，這自然為電動運具提供功能基礎。

Microchip Technology 的 dsPIC33 DSC 系列正是為了因應決這些多元要求而設計，其系列成員各有專用功能。本系列的最新產品 dsPIC33C，可延伸 dsPIC33E 和 dsPIC33F DSC 的效能和能力，能讓開發人員針對更多複雜應用進行開發。

這些 DSC 以數位訊號處理器 (DSP) 核心為基礎，結合了 MCU 的簡易性與 DSP 的效能，以滿足不斷演變的高效能、低延遲性、即時能力等要求，同時又能維持最小的覆蓋區與 BOM。開發人員憑藉 Microchip 的 dsPIC33 開發板、公版設計和軟體開發工具所構成的完善生態系統，即可利用 dsPIC33 系列的不同成員來擴充設計，在汽車和電動運具系統的核心提供功能豐富的應用。

汽車和電動運具設計適用的更有效硬體基礎

高速軟體式數位控制迴路是許多汽車子系統的基礎，而 Microchip 的 dsPIC33C 系列則專門為了降低延遲並加快執行速度而設計。為了提供此能力，這些裝置整合了 DSP 引擎、高速暫存器，以及緊密耦合的周邊裝置，包括多個類比數位轉換器 (ADC)、數位類比轉換器 (DAC)、類比比較器以及運算放大器。

更具有其他特點，包括 DSP 引擎的單循環 16 x 16 乘積累加運算能力 (MAC) 搭配 40 位元累加器、零負荷迴路和桶式移位等，可確保高速執行數位控制迴路。周邊裝置能力包括 150 ps 解析度脈寬調變器 (PWM)、擷取／比較／PWM (CCP) 計時器、周邊裝置觸發產生器，以及使用者可編程的可配置邏輯元件等，可促成精準控制迴路介面的獨立作業。

這些裝置具備廣泛的晶片上功能性，並採用小至 5 x 5 mm 的封裝，有助於開發人員達到最小的覆蓋區和 BOM，以滿足時尚汽車系統對裝置縮小化的要求。這些裝置還可進一步簡化汽車設計，可支援多個通訊介面，包括控制器區域網路 (CAN)、區域互連網路 (LIN)，以及進階汽車系統所用的數位多工 (DMX)。此外，無論是單核心還是雙核心配置，這些裝置皆有不同的記憶體大小，可提供進階汽車和電動運具應用所需的可擴充式解決方案。

這些零件專為嚴苛的汽車環境而設計，符合 AEC-Q100 等級 0 的要求，能滿足引擎蓋下運作的嚴苛要求，並可在 -40°C 至 +150°C 延伸溫度範圍內提供支援。對任務關鍵型汽車設計最為重要的是，精選的 dsPIC33 系列成員已具備功能安全性，可輕鬆符合安全規範，包括 ISO 26262 (ASIL A 或 ASIL B)、IEC 61508 (SIL 2) 和 IEC 60730 (B 級)。這些 dsPIC33 系列成員整合了專門的安全硬體功能，包括程序監控計時器、監控設備計時器、自動防故障時脈監測、隨機存取記憶體 (RAM)、內建自我測試 (BIST) 和錯誤修正碼。

在軟體開發方面，Microchip 的 MPLAB XC C 編譯器通過 TÜV SUD 的功能安全性認證，在某些情況下也能提供診斷軟體程式庫。此外，Microchip 還提供安全認證流程所需的相關故障模式、影響與診斷分析 (FMEDA) 報告與安全手冊。

功能安全性認證所需的硬體安全功能和開發能力，只是功能眾多開發生態系統的一部分，可支援傳統汽車與電動車所用的 dsPIC33 架構設計。Microchip 以自家 MPLAB X 整合式開發環境 (IDE) 為基礎，針對不同應用領域提供眾多的專用設計工具和程式庫組合，如下所述。

為了幫助進一步加速使用 dsPIC33 系列進行開發，Microchip 提供功能豐富的 dsPIC33 開發板生態系統，以及可下載的設計資源，其中包括白皮書、應用說明和公版設計。在這些資源中，有幾種 dsPIC33C 公版設計能滿足汽車和電動運具的主要應用領域，包括無線充電、數位照明、電源轉換和馬達控制。除了展示如何在各個領域使用 dsPIC33C DSC，這些公版設計和相關軟體也能作為客製化設計實作的起點。

實作電源轉換的精準數位控制迴路

控制迴路是許多汽車和電動運具應用的核心，其在這些應用裡最關鍵的用途之一，便是滿足電源轉換的基本需求。高效率的 DC-DC 轉換對傳統汽車系統依然重要，對高電壓的電動車和油電混合車同樣不可或缺。在這些系統中，200 V 至 800 V 的電池電壓需要以安全有效的方式降低至 12 V 或 48 V 位準，以執行外部和內部照明功能，並供電給雨刷、車窗、風扇和幫浦用的馬達。

在 200 W 的 DC/DC LLC (三個無功元件：兩個電感和一個電容) 諧振轉換器公版設計中^[2]，單一 dsPIC33 裝置就可促使小型數位解決方案進行切換式電源轉換，方法是使用其中一個整合式 PWM 來驅動控制迴路中的半橋 MOSFETS (圖 1)。

圖 1：Microchip Technology 的 DC/DC LLC 諧振轉換器公版設計，需使用單一個 dsPIC33 DSC，以便對電源轉換設計核心的控制迴路進行數位管理。(圖片來源：Microchip Technology)

在圖 2 中，諧振變壓器將 MOSFET 驅動器 (D) 的一次側高電壓 (黑線) 與二次側 12 V 電源 (藍線) 隔離，並與 dsPIC33 DSC 和其他類比 (A) 元件的 3 V 電源隔離。

圖 2：透過專用周邊裝置，dsPIC33 DSC 有助於簡化設計並減少零件數，並在此使用整合式 PWM 和周邊裝置功能，來控制外部 MOSFET (D) 和其他類比 (A) 元件。(圖片來源：Microchip Technology)

在此設計中，dsPIC33 使用基本的中斷導向軟體設計來管理數位控制迴路。在此使用 ADC 中斷來取得軟體比例-積分-微分 (PID) 控制器所用的輸出電壓。另一個 ADC 中斷可支援溫度感測，而 dsPIC33 的類比比較器則可支援過電流和過壓事件偵測。事實上，執行 PID 控制流程和相關的控制迴路管理工作，可留下大量的處理能力餘裕，能用於內務功能和監測工作，包括溫度監測、故障監測以及通訊，都可在直覺的韌體處理程序中完成 (圖 3)。

Microchip 的 dsPIC33 DSC 高效能 DSP 引擎圖片圖 3：dsPIC33 DSC 的高效能 DSP 引擎和緊密耦合的周邊裝置，可讓開發人員使用更簡易的程式碼，輕鬆實作複雜的數位控制迴路。(圖片來源：Microchip Technology)

若開發人員想要打造更專門的數位電源解決方案，Microchip 的數位電源設計套件可以從概念到韌體產生的過程中，全程支援 dsPIC DSC 的設計工作。開發人員能以 dsPIC DSC 硬體功能為基礎，使用此套件的數位補償器設計工具 (DCDT) 來分析控制迴路，並使用 MPLAB 程式碼配置工具 (MCC) 來產生程式碼，以便使用 Microchip 補償器函式庫中最佳化的組合語言程式碼功能 (圖 4)。

Microchip 完備的工具鏈示意圖 圖 4：開發人員可以使用 Microchip 完備的工具鏈，加速開發數位電源子系統核心的最佳化軟體式控制迴路。(圖片來源：Microchip Technology)

無論是要打造標準型裝置 (如無線電力發射器) 或實作更複雜的客製化裝置，汽車和電動運具控制迴路應用的設計人員，都需要實作小型解決方案，並可支援故障監測等基準能力以外的其他功能。另一個公版設計說明如何使用單核心 dsPIC33CK DSC，在另一個重要的數位控制電源轉換 (無線電力傳輸) 應用中提供豐富的功能組合。

實作符合 Qi 標準的無線電力發射器

無線充電聯盟 (WPC) 針對 5 至 15 W 無線電力傳輸所制訂的 Qi 標準，已廣受智慧型手機和其他行動裝置的製造商採用。消費者只需將具備 Qi 功能的裝置，放在內建相容無線發射器的任何表面上，便能對此類裝置進行充電。將 Qi 無線電力發射器嵌入在汽車內裝表面或第三方充電產品中，就可方便對智慧型手機充電，不再有有線電源連接所造成的混亂和潛在干擾。Microchip Technology 的 15 W Qi 無線電力公版設計^[3] 說明如何使用 dsPIC33 簡化此類子系統的實作 (圖 5)。

圖 5：dsPIC33 的整合式周邊裝置能獨立作業，以加速執行主要控制任務，進而留出處理餘裕以執行其他任務，例如使用者介面、通訊，以及更複雜應用 (如無線電力發射器) 的安全性。(圖片來源：Microchip Technology)

此公版設計以 Microchip Technology 的單核心 dsPIC33CK256MP506 DSC 為基礎，使用此 DSC 的整合式功能實作數位控制迴路。雖然此設計是基於全橋拓撲，而非前述諧振轉換器所用的半橋拓撲，但此裝置的多重 PWM 可輕鬆滿足此額外要求。

無線電力發射器通常會提供多個無線射頻 (RF) 線圈來傳輸電力，而在此設計中，橋式逆變器是透過多工器 (MUX) 連接到三個線圈中的一個。如全橋逆變器和電壓調節前端一樣，此設計充分利用 dsPIC33 的整合式周邊裝置來管理線圈 MUX 切換。

除了控制 Microchip 的 MIC4605 和 MP14700 閘極驅動器，dsPIC33 周邊裝置還可以：

透過 Microchip 的 MCP23008 I/O 擴充器來控制電源指示器的發光二極體 (LED)
透過 Microchip 的 MCP2221A USB 橋接元件提供 USB 連線能力
透過 Microchip 的 ATECC608 驗證裝置支援符合 WPC 規範的安全儲存。此驗證裝置是由 Microchip 在 WPC 製造商憑證機構 (CA) 授權下提供
透過 Microchip 的 ATA6563 CAN 彈性數據傳輸率 (FD) 裝置，提供具備 ISO 2622 功能安全性的 CAN 連線能力

此外，此公版設計使用 Microchip 的 MCP16331 降壓轉換器和 MCP1755 線性穩壓器，來支援輔助電池電力。

此公版設計使用相當小的 BOM 提供符合 Qi 標準的解決方案，擁有無線電力系統所有的主要特點，包括高效率、擴大的充電區、有用的 Z 距離 (發射器和接收器之間的距離)、異物偵測，並且支援主流智慧型手機所用的多種快速充電實作。開發人員以此軟體式設計為基礎進行打造，可輕鬆添加多種功能，例如發射器和接收器之間的自行研發通訊協定，以及藍牙等無線連線選項。

實作小型的數位照明解決方案

dsPIC33 裝置的整合式功能在汽車和電動運具應用中特別重要，因為這些應用需要新增一些複雜功能，但又不會干擾車輛線路。高密度 LED 的可用性，促使汽車製造商提升外部頭燈和內部照明的設計感。

不過，這些照明子系統的開發人員通常必須將更多功能塞入更小的封裝內，同時又要支援 DMX 等業界標準。DMX 可提供一種常見的通訊協定來控制照明裝置鏈。如前述的無線電力發射器設計一樣，小型數位照明^[4] 解決方案的設計善用 dsPIC33 的整合式周邊裝置的優勢 (圖 6)。

圖 6：Microchip Technology 的 dsPIC33 DSC 能讓開發人員以最小的覆蓋區和 BOM 提供複雜的設計，這樣才能以不顯眼的方式將功能嵌入車輛中。(圖片來源：Microchip Technology)

如同其他數位電源應用一樣，此數位照明設計善用 dsPIC33 的整合式 PWM、類比比較器和其他周邊裝置的優勢，可提供完整的小型數位照明解決方案。如同前述設計應用，此數位照明解決方案仰賴 dsPIC33 DSC 的處理能力，以及讓周邊裝置獨立運作的能力，能監控必要的外部裝置組合，包括電源裝置、收發器、LED 等等。其他的 Microchip 設計範例，則可展示 dsPIC33 DSC 在處理更複雜的數位控制演算法和進階馬達控制系統時，所擁有的高效能處理能力。

以單一 dsPIC33 DSC 實作進階馬達控制系統

dsPIC33 DSC 的效能讓開發人員使用單一 DSC 來處理核心數位控制迴路以及多種輔助功能的執行作業。事實上，Microchip 的雙馬達設計^[5] 就展示，僅僅使用一個單核心 dsPIC33CK DSC 實作出一對永磁同步馬達 (PMSM) 的無感測器磁場導向控制 (FOC) 功能。此設計的關鍵在於，為每個馬達控制通道、馬達控制 1 (MC1) 和馬達控制 2 (MC2) 的逆變器所提供的移相 PWM 訊號 (圖 7)。

圖 7：由於具有高效能處理能力和整合式周邊裝置，一個單核心 dsPIC33CK DSC 就可支援雙馬達控制設計。(圖片來源：Microchip Technology)

在此作法中，dsPIC33CK 的 PWM 已設定成可產生每個馬達控制通道所需的波形，並在最佳時刻觸發個別的 ADC。當每個 ADC 完成轉換後，ADC 就會發出中斷，讓 dsPIC333CK 對此組讀數執行 FOC 演算法。

此外，單一 dsPI33CK DSC 也能處理更強大的馬達控制應用。在高效能電動機車 (E-scooter) 的公版設計中，dsPIC33CK 可以針對驅動無刷 DC (BLDC) 馬達的三相逆變器，控制多個 FET 和 Microchip 的 MIC4104 閘極驅動器 (圖 8)。

圖 8：透過一個單核心 dsPIC33CK，開發人員只需幾個額外元件，便可實作強大的電動機車馬達控制子系統。(圖片來源：Microchip Technology)

電動機車公版設計^[6] 可支援無感測器和感測器操作模式，因為此設計能監測 BLDC 馬達的反向電動勢 (BEMF)，以及霍爾效應感測器輸出。此設計使用 18 至 24 V 的輸入電壓源，可達到 350 W 的最大輸出功率。

進一步延伸此設計後 ^[7]，Microchip 展示可添加 EV 和 HEV 用的再生煞車功能，以便馬達在高於車輛電池電源的電壓位準下產生 BEMF，藉此回收電能。在此例中，強化的設計使用額外的 dsPIC33CK 引腳監測來自煞車的訊號。偵測到煞車時，dsPIC33CK 會先關閉逆變器高側閘極，以將回收的電能提升到高於 DC 匯流排電壓的位準，接著關閉低側閘極，讓電流得以回流到電源。

開發人員能以雙核心 dsPIC33CH DSC 取代單核心 dsPIC33CK，藉此擴充設計，以便支援更多的功能。在這類設計中，一個核心能在最少的程式碼變更下，管理 BLDC 馬達控制和再生煞車功能，而另一個核心則可執行額外的安全性功能或高階應用。馬達控制開發團隊和應用開發團隊，可透過雙核心 dsPIC33CH 達到個別作業，並順暢地整合各自的控制，以便在 DSC 上執行。

若是客製化馬達控制設計，Microchip 的 motorBench 開發套件可提供一個圖形使用者介面 (GUI) 工具組，有助於開發人員更準確地測量關鍵的馬達參數、調諧控制迴路，並在 Microchip 的馬達控制應用架構 (MCAF) 和馬達控制程式庫的基礎上，生成原始程式碼。

結論

透過 Microchip Technology 的 dsPIC33 DSC，開發人員只需相當少的額外元件，便可實作出多種數位電源設計，以用於傳統汽車和電動運具應用。憑藉豐富的軟體工具和公版設計支援組合，單核心和雙核心 dsPIC33 DSC 提供了一個可擴充平台，可針對電源轉換、無線充電、照明、馬達控制和其他多種應用，快速開發最佳化解決方案。