電力電子設計人員正在努力提高工業和汽車設計中的功率效率和功率密度，從多軸驅動器到太陽能儲存，再到電動車 (EV) 充電站和電動車車載充電器。
主要設計挑戰之一是實現更高的即時控制性能，同時降低系統成本。因應這一挑戰的常用方法是使用高度整合的微控制器 (MCU)，其類比和控制周邊設備能夠進行超低延遲控制迴路處理。
即時控制性能：一切的關鍵在於延遲
在深入研究一些範例之前，我們先大致介紹延遲的概念。在多軸驅動器、機器人、具有儲能系統的太陽能變流器、電動車充電站和電動車本身中，控制性能與 MCU 採樣、處理和控制訊號的速度有直接的關係。圖 1 顯示從類比轉數位轉換器 (ADC) 測量訊號到 CPU 處理資訊，以及最終脈寬調變器 (PWM) 控制功率級時，這段時間內的即時訊號鏈和訊號延遲。若要實現超低延遲的控制迴路處理能力，您就會希望這個數字越小越好。
圖 1：即時性能與延遲的概念
對於數位電源，達到更高的功率密度表示將 DC/DC 級的開關頻率從 50 kHz 提高到 100 kHz、500 kHz 甚至更高。如果您使用在 100 MHz 下執行且調節迴路與 PWM 頻率同步的 MCU，則在 10 kHz 時，每個 PWM 中斷之間有 10,000 個可用 CPU 週期，在 100 kHz 時會降到 1,000 個週期。隨著頻率的增加，可用於感測製程控制的時間會減少，您需要最佳化 MCU 架構以節省即時訊號鏈中每個可能的週期。
在太陽能變流器儲能系統中啟用新一代電源供應器
太陽能變流器市場隨著儲能系統 (混合變流器) 的整合而不斷演進，如圖 2 所示，這帶來了雙向能源流控制的挑戰。單晶片架構需要具有大量高解析度 PWM 通道和附加高頻寬 ADC 輸入的 MCU，例如 TMS320F28P650DK C2000
32 位元 MCU。
圖 2：具整合儲能的太陽能變流器架構
為了應付各種應用領域對再生能源不斷擴增的需求，太陽能變流器需要更高的功率效率和更佳的總諧波失真效能。一種方法是移至較新的多相、多階變流器電源架構，這種架構通常結合複雜的電源演算法和附加的外部邏輯 (例如複雜的可編程邏輯裝置或現場可編程閘道陣列) 來實作，以便開啟和關閉電源開關，以正確順序安全地進行。此舉會增加電路板空間及系統成本。
能夠支持跨不同 PWM 模組的板載自訂、最小死區和非法組合邏輯 (防止破壞性開/關序列的 MCU 功能) 的 MCU，將有助於進一步簡化設計，為設計人員提供減少甚至移除外部邏輯的機會，同時能降低成本。
將 PWM 單元與整合式類比窗型比較器緊密耦合也很重要，如此才能保護電源轉換器免於受過流和過電壓事件的影響。根據電源拓撲，您需要挑選具有能夠實作諧振模式轉換器峰值電流，和谷值電流模式控制的 PWM 單元的 MCU。
能夠更輕鬆、更快速地整合到電動車的車載充電器中
隨著全球電動車數量的增加，設計人員需要尋找新解決方案來進一步整合車載充電器，並降低成本。典型的實作包含一個車載充電器功率因數校正級適用的 MCU 和另一個車載充電器 DC/DC 級適用的 MCU ，並於兩者之間設置隔離。
雖然實作單一 MCU 可能會增加將訊號傳送回 MCU 所需的隔離度，但成本可以藉由減少零組件數量來彌補 (包括減少控制器區域網路收發器、穩壓器、電源管理整合電路、運算放大器以及用於與主機 MCU 通訊的隔離元件。
圖 3 顯示了單一 MCU 控制高達 22 kW 的三相車載充電器功率級拓撲。PFC 級是二相交錯圖騰柱，DC/DC 級是雙電容器-電感器-電感器-電感器-電容器 (CLLLC)，這將會縮減變壓器尺寸和場效應電晶體的額定電流。
圖 3：由單一 MCU 控制的三相 EV 車載充電器 (PFC 加 DC/DC)
在解決所需的最低 MCU 硬體資源 (PWM、ADC、比較器) 問題後，您還需要尋求更多的軟體整合，同時減少 CPU 負擔。由於整合可以在單一裝置上對更多訊號進行採樣，因此選擇包含具有內建硬體為主之過度採樣和偏移校準功能的 ADC 的 MCU，可簡化軟體設計，使 MCU 的周期效率更高，並且能夠更快地執行控制迴路。
另一項挑戰是具有不同即時限制的多任務軟體整合：PFC、DC/DC 以及內務管理和安全需要共存，這使得軟體開發作業變得更加複雜。
從單核心 MCU 轉換為具分佈式記憶體之多核 MCU 架構，PWM 和類比資源的跨 MCU 核心架構將有助於為各種核心分配不同的控制迴路頻率：一個核心控制 PFC，另一個核心執行兩個 CLLLC。每個核心都能以不同的獨立頻率執行控制迴路：圖騰柱通常是固定頻率，但車載充電器的 DC/DC 電源轉換級 (圖 3) 正在變化中。轉向多核心架構也有助於實現更可靠、更精密的過電流和過電壓防護 (因為可以最佳化每個核心的每個控制迴路)，並可透過消除對外部監控零組件的需求來降低成本。
僅需幾分鐘即可充好電的 EV、每個家庭的太陽能系統和能源儲存設備，以及具備更高效機器人和自動化，進而減少能源足跡的工廠，這些即時控制 MCU 的創新，有助於為未來打造出一個更乾淨、更安全且更高效的環境。
