本文介紹實時 MCU 如何實現超低延遲。

實時控制也是實現高效可靠電源系統的基礎。例如，實時控制有助于使充電站保持穩定的輸出功率，并調節流入汽車電池的電流，從而保證電池壽命并避免過熱。將實時控制與MCU和GaN等新技術相結合，可提高功率密度和效率，有助于充分降低應用的功率損耗。

現代電機驅動系統的性能持續提高，因此對實時控制的要求也日益嚴格。例如，高精度高速計算機數控機械(控制磨床和車床等各種復雜機床的機械)可在轉速超過 20,000RPM的情況下實現低于5μm的精度。只有非常快的控制環路才能實現上述功能，這意味著信號測量和系統調整之間的延時時間通常不到1μs。

鑒于高度時間敏感的計算需求，許多設計人員都采用了現場可編程門陣列、外部快速模數轉換器和多個MCU的組合。但是TI的C2000 MCU和Sitara處理器可提高模擬集成度，從而在不到 1μs 的時間內執行電流環路，即快速電流環路。通過在現代控制拓撲中充分利用快速電流環路，設計人員能夠以更低的成本開發尺寸更小、性能更高的系統。

使用完全集成式解決方案，比如TI的 MCF8316電機驅動器，還可進一步降低成本。 這類器件采用預編程、只需微調的無刷直流電機控制算法，在系統設計階段，通過MCU的簡單I2C接口配置集成的電擦除可編程只讀存儲器即可實現。它們還提供有硬件配置，支持系統設計人員在沒有MCU的情況下調整電機。MCF8316集成了六個為電機提供電流的金屬氧化物半導體場效應晶體管，實現了采用7mm x 5mm封裝的完整實時電機控制解決方案。

實時控制是電網基礎設施、電器、電動和混合動力電動汽車、電力輸送、電機驅動和機器人等應用領域的重要組成部分。為進一步提高響應速度，上述所有應用需要不斷縮短執行動作的時間窗口。TI全套的檢測、處理、控制和通信技術可提供高電源效率和性能以及低延遲響應時間，有助于實現更小、更可靠的實時控制系統。

不斷增長的能源利用(尤其是在電網基礎設施和電力輸送應用中)需要高效、緊湊和穩定的電源系統。這一要求已經引起了電源轉換系統的革命，以提供高能效、快速瞬態響應、高功率密度和更大電源容量。

高功效

數據中心的不間斷電源必須連續運行。正如白皮書“結合使用 TI GaN FET 和 C2000實時 MCU 實現功率密集且高效的數字電源系統”中所討論的，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，為了實現這些好處，實現復雜的電源拓撲結構可能具有挑戰性，例如圖騰柱無橋功率因數校正(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路來實現這一目標。為了將其提升到一個新的水平，配備快速片上模數轉換器 (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換，從而減少整體實時信號鏈的延遲。

快速瞬態響應

服務器電源應用需要在不斷變化的負載條件下實現穩定可靠的運行，因此需要快速的瞬態響應。有幾種控制方案可以實現快速響應。由 C2000 和 GaN 實現 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行現實之間實現超低延遲：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、經過優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

直流/直流轉換器通常需要在更小的空間內提供更大的電源容量，這不僅是為了降低系統成本，也是為了滿足分布式電源開放標準聯盟等監管標準(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，而采用氮化鎵和碳化硅等寬帶隙功率器件來實現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學增強器，實時 MCU 的處理能力使復雜的時間關鍵型數據計算成為可能。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等功能，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。

實時 MCU 如何實現必要的處理能力

高效地支持當今的高性能電源系統是控制器的不同之處。TI 實時 MCU 提供雙存儲器訪問、單周期確定性執行、八相并行流水線總線、卓越的存儲器執行吞吐量、高效的加速器和統一的存儲器映射。其中一些還擁有協處理器或多核支持，以靈活地實現電源系統，以及實現安全、診斷、自適應算法和輔助控制任務的余量。

結語

盡管復雜的控制算法使電源系統具有低 THD、高功率密度和效率以及快速瞬變，但實際實現需要的不僅僅是數學功能和控制器帶來的更高兆赫速度。由于從傳感到驅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需求，以及面向未來的可擴展解決方案。

審核編輯：湯梓紅