TI可以为客户提供更多样的选择。2022年12月9日,由盖世汽车主办的2022第三届混动技术发展论坛中,德州仪器中国区MCU产品技术经理卢璟介绍,为应对高压化、集成化、高安全性等电控领域的行业需求,TI推出的第3代C2000™DSP和基于ARM内核的AM263X实时MCU产品,提供多种引脚数量、存储器和封装选项,满足集成通信、功能安全和信息安全等多种功能需求,旨在实现更高性能和更经济实用的实时控制效果。

德州仪器是一家半导体芯片公司,我们的业务涵盖了芯片的研发、制造、测试、销售等各个环节。TI旗下有8000多种模拟和数字产品,在全球也有近10万家客户分布在工业汽车、消费类电子、企业市场和通信市场。今天将着重介绍TI在汽车电气化领域的MCU产品。

TI在1986年就已经进入到中国,36年来我们在中国不断增加本土的服务体系。目前TI在国内有成都的一体化制造基地,在北京、上海、深圳三地有研发团队。我们在上海和深圳还有产品分拨中心,并有近20个销售和技术支持分公司,全方位为中国客户提供支持。

近年来,电气化、智能化和网联化等汽车产业的发展趋势也带来了很多技术挑战。在电气化领域,市场趋势要求汽车电驱转速越来越快,纯电续航里程越来越长,充电的时间也需要变得更快,电源转换效率需变得更高,且要支持像SiC等功率器件,PWM频率控制的开关速度也会变得更快,同时还要确保动力系统的功能安全。

智能化领域对芯片则提出了更强的算力、支持多传感器的融合的要求。网联化需要汽车在互联互通的同时确保数据安全、网络安全。基于这些技术趋势,MCU产品会有几个共同特点:

首先是高性能,其次信息安全和功能安全也变得越来越重要,这就要求MCU产品不仅需要考虑主频,还需要考虑整个系统的功能安全问题。

今天很多嘉宾都提到了汽车行业很卷,卷的另外一个表现就是整个产品的开发周期越来越短。作为半导体供应商,我们需要提供更好的软件开发环境、知识库,让客户快速进行产品开发,还需更好地实现产品复用。

首先看一下整个车身的MCU布局,我们挑了几个大家可能感兴趣的MCU应用。针对自动驾驶的雷达处理,TI推出AM27系列产品,含一对R5锁步核和一个C6000 DSP核。TI的DSP有二三十年的历史,因此我们在数字信号运算过程中的性能非常优越,可以很好地进行雷达信号的处理。同时,TIAM27也非常适合用于语音信号的处理,可支持个性化产品的开发。

另外,汽车正朝着域控制器的方向发展,未来车身每个模块之间的数据传输流量将会越来越高,当前的LIN和CAN将难以满足需求。长远来看,车载以太网或许即将实现落地,因此TI推出了AM24系列产品,可用于车身网关或域控制器。

今天的主角是C2000™和AM26,它们会更多地用于电控、电驱等电气化领域。TI所有的产品都基于统一的架构,基于统一架构的整个开发过程将更加快速。

另外就是电控的部分,例如插电式混动的充电OBC、车身内高低压转化的DC/DC变换器等。这类应用的共同特点就是实时控制,即能够快速对板上的信号进行采集,通过一系列运算快速实现实时控制。

针对这类实时性应用,TI推出了两个系列的产品,第一是左边的C2000™系列,这款产品在市面上已广泛应用于许多厂商;右边是我们在去年推出的AM26x系列产品,这款产品将于这个月量产。

两款产品的共同特点是都具备TI高性能的实时控制单元,包括高吞吐率的ADC模块、高精度的PWM模块以及高速的比较器模块。

针对功能安全和AUTOSAR的趋势,在AM26x产品上已经集成了HSM硬件的加密模块,最高支持ASIL-D等级的认证。

再看一下电控领域的趋势。汽车需要更长的续航里程,因此需要支持更高的功率。根据市场信息和预测数据,2030年11kW或22kW的OBC模块市场占有率将会越来越高。要实现这类产品,就需要有更快的开关频率,因此我们将使用SiC等新型功率器件,控制频率将从现在的一两百K上升到大几百K,甚至是兆级的控制,此时CPU就需要更高的算力,外设的性能也要进一步提高。

TI的产品优势较为显著,从ADC的采样到电控的算法,再到PWM的输出,在一个微秒之内就可以实现整个环路的控制,在业界属于十分优异的性能。针对电控类产品复杂的拓扑结构,我们也提供最高64路的高精度PWM,帮助客户实现非常灵活的设计。

具体再细化到OBC、DC/DC落地到PCB板上的架构,左边是一个充电的装置,OBC通常前端是AC/DC的功率因素校正电路,可以让产品更高、更好地利用电网效率,在后面将通过DC/DC把电压上升到400V甚至800V的高压为动力电池充电,而动力电池将在进一步运行的过程中驱动电机。

由于车身中含有许多音箱、座椅、车灯等其他设备,因此存在12V或48V的电路,此时就需要一个从高压向低压转换的过程,且这一过程需要在汽车的行驶过程中实现,因此功能安全是重中之重。

市面上各家厂商对功能的实现方式可谓是百花齐放,我们对此进行了总结,总结为四种应用场景。一种是目前市面上较为常见的,即单独用一颗芯片做PFC,这是一个非隔离的电路,再用第二颗芯片做OBC的DC/DC,由于这一模块需要对汽车上的其他零部件进行通讯,因此通常还需要第三颗MCU去跑AUTOSAR、信息安全或功能安全。

第二种方式,我们会选用一颗更强的MCU,可以把OBC的DC/DC部分和主控MCU部分进行结合,形成双片方案。

TI提供所有设计的灵活性,既有高性能的产品,例如四核400兆产品AM2634,也有双核产品AM2632,C2000™同样既有四核产品,也有单核的产品。对于TI而言,我们更多是提供可选择性,客户可以根据自身情况去选择方案。

针对DC/DC从高压到低压的转化,我们也有双片方案和单片方案。集成化也是当前的一个趋势,我们也非常期待看到更多创新性架构的出现。

C2000™& AM263x芯片特性介绍TI的C2000™已有20多年历史,一直用于实时控制领域。在汽车领域,C2000™在电驱和电控中的比例都相当高。评价一颗芯片可以从四个方面入手,首先,是否有足够的能力和好的性能去对信号进行采样,包括通路数量、吞吐率、精度等方面的性能。

第四部分是接口,接口的数量、种类、吞吐率是否足够丰富,以满足广大客户的需求。从以上四个方面基本能评价一颗MCU能否满足基本要求。

那么C2000™的优势在哪里?这里我想引用一下比亚迪陆总说的话,他谈到比亚迪在做DM-i的创新时,更多是从用户的角度出发去设计零部件。其实TI也一样,我们做芯片也需要从用户的角度出发,思考客户在做电驱或电控时会希望怎样使用这些硬件模块,我们需要提供什么样的功能,让他们的使用更加简洁、方便。C2000™基于以上角度去做了芯片的设计。

在算力部分,它会针对实时控制领域的算法进行分析,打造针对特定运算的特定硬件指令,提高运算速度。我们也会放置一个专门的内核,使其快速响应ADC信号的中断,从而减少信号延时。

在采样部分,我们会考虑针对不同模块的同步要求应如何设计ADC,实现多路同步。另外,针对采样可能出现的误差,我们会加入硬件的后处理模块自动进行校正。PWM也一样,可灵活调整时区、各路信号的相移,用户能通过它实现各种复杂的拓扑。这些都是TI设计芯片的初衷。

除了性能部分和实时控制的特性,C2000™也针对信息安全和功能安全做了很多工作,例如为了对代码进行保护,我们有防锁措施、加密启动等相应的保护措施。针对信息传输过程中的加密需求,我们也有相应的硬件加速器。

在功能部分,目前C2000™已达到ASIL-B等级的功能安全认证,未来也会做ASIL-D等级认证的芯片。TI还提供功能安全诊断库、功能安全手册等材料,帮助客户通过系统级认证。

TI的AM26x系列更多是面向ARM生态的客户。AM26x与C2000™的不同之处仅在于内核不同,使用ARMR系列的内核,最高为四核,主频将达到400MHZ,部分产品能达到800MHZ主频,所有的配置都面向电驱和电控的应用。

其中的内核可以进行灵活配置,用户可根据自身的软件的架构进行选择。以中间的架构为例,它用一对锁步核去跑功能安全和AUTOSAR的监控,再用另外两个核单独去跑电机的控制或电量处理。如果部分客户没有功能安全的要求,就可以使用四个核,实现算力的提升。

TIAM26x系列的所有产品都能做到硬件的兼容,客户在进行一系列产品开发时硬件设计基本是一致的,可以灵活地通过软件配置去选定内核。

在功能安全方面,AM26x支持ASIL-D等级的认证,其功能安全特性相比C2000™会更加丰富。不仅有内核层面和memory访问方面的功能安全机制,它在总线上也会加入非常多的功能安全机制,保障系统安全。其信息安全基本能够满足汽车行业的需求,支持不同算法,客户也可以在这颗芯片上加入自己的密钥,实现自定义化的产品。

未来,市面上22kW的产品会越来越多。此外,汽车也正成为一个大型的储能设备,因此在电源设计上也会越来越多地出现双向充电的需求。

这里罗列了不同电源拓扑的参考设计,通过在TI官网输入参考设计号,就可以拿到硬件板的设计材料和相应的技术文档。

前面讲了很多电控的内容,其实电驱也会有一些电驱和DC/DC的功能要求,包括反向制动,如何提高电驱的系统效率等。针对这类应用,TI也推出了参考设计TIDM-02009。

TI的使命就是希望通过不断的技术创新,使电子设备让人们的生活变得更加美好。也希望TI通过MCU的持续创新,能为我们的行业提供更高性能、更具性价比的方案,帮助整个行业的电气化进程走得越来越稳。

(以上内容来自德州仪器中国区MCU产品技术经理卢璟于2022年12月9日,由盖世汽车主办的2022第三届混动技术发展论坛发表的《TI 赋能汽车电气化MCU解决方案》主题演讲。)

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