作者:Graham Mostyn

几乎每个电子器件都需要一个时钟源。例如,单片机(MCU)使用振荡器来前进到下一条指令,无线电需要通过精确的振荡器来将射频信号混合到基带中加以处理。

智能联网设备的出现对时钟性能提出了更高的要求。本文解释了设计师如何在应对这些挑战的同时降低技术风险、缩短设计时间以及削减物料清单。我们着眼于采用石英和基于MEMS的技术的石英晶体、石英晶振(XO)和高度集成的时钟解决方案。

智能联网设备需要复杂的时钟树

MCU通常包括用于非精密计算应用的内部RC移相振荡器。这些振荡器使用集成的电阻-电容对来创建控制振荡器频率的时间常数。此类振荡器具有大约1%的精度并且表现出高抖动(在时钟转换的时序中会出现意外的随机波动)。 它们适用于不注重转换时序的应用,例如为计算用MCU提供时钟以及驱动一个简单的七段数字液晶显示屏(LCD)。显示屏需要多个时钟波形,但转换时序容差为几毫秒。此外,也可实现高达几Mbps的UART通信,这种情况下的时序容差为几百纳秒,但这同时也代表着简单RC振荡器的限值。

智能联网产品通过Bluetooth®、有线以太网、Wi-Fi®或其他连接协议与云端进行网络通信。由于涉及无线电和/或高速数据,因此需要精度达百万分之几(ppm)的低抖动精密时钟。

生成精密时钟所需的关键因素是稳定的参考频率,而这需要使用谐振器。谐振器是一种电子无源器件,在某些(谐振)频率下自然振荡的幅度高于其他频率——小提琴琴弦就是一个简单的例子。电子器件通常选用石英晶体和MEMS谐振器。谐振器的要求如下:

1、谐振频率随时间和温度变化呈稳定态势。这样可以避免时钟频率漂移。
2、高品质因数(Q),确保谐振器只响应很窄的频带。
3、能够在高信号电平下工作,从而在输出端达到良好的信噪比

第二项和第三项对于确保低抖动时钟信号至关重要,可实现稳定的时序转换。

由于谐振器是无源器件,因此需要受控的能量来维持振荡并产生参考频率。将谐振器以反馈配置耦合到维持放大器可实现这种稳定的振荡。如果石英晶体或MEMS谐振器配有合适放大器,会非常适合作为10 Mbps及以上域中数据传输的频率参考。

石英谐振器具有高Q值和高输出能力,适用于抖动必须极低的应用。可以实现100飞秒的相位噪声(在传统的12 kHz至20 MHz带宽中测量)。MEMS谐振器能够以非常稳定的频率在扩展级温度下工作,而且兼具极高的可靠性以及抗冲击和振动性能,并能够实现超小型时钟解决方案(接近1平方毫米)。MEMS谐振器具有较高的Q值和较低的输出;可实现500飞秒的相位噪声,而近期的谐振器设计也在不断降低该值。例如,许多现代网络应用(例如PCIe)都支持较小的集成带宽,因此这两种技术都非常合适。

在嵌入式系统中实现时钟

在嵌入式系统中,可通过三种常见的谐振器实现来产生时钟信号。

● 将石英晶体直接连接到“目标SoC”(将由时钟驱动)

“图1:两个晶体直接连接到MCU,显示负载电容和串联电阻”
图1:两个晶体直接连接到MCU,显示负载电容和串联电阻

● 通过石英晶振(XO)为整个系统创建一个时钟输出

“图2:晶振由石英晶片组成,传统上采用陶瓷封装并带有金属盖”
图2:晶振由石英晶片组成,传统上采用陶瓷封装并带有金属盖

● 基于石英或MEMS的时钟发生器(以低频和高频[>50 MHz]创建一个或多个时钟输出)

“图3:集成时钟发生器将MEMS(或晶体)谐振器与振荡器相结合,并通过可编程PLL和缓冲输出级扩展功能”
图3:集成时钟发生器将MEMS(或晶体)谐振器与振荡器相结合,并通过可编程PLL和缓冲输出级扩展功能

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—— CryptoAutomotive™ 开发工具包为OEM和一级客户提供保护现有汽车网络的工具

汽车中大量采用信息娱乐和高级驾驶辅助系统(ADAS)等现代化的便利设施显著改善了每天的出行体验。但是,与此同时,增加这些为消费者提供便利的设施也给了黑客可乘之机,黑客们反复利用这些漏洞,着实给系统造成了安全威胁。这一问题在汽车行业可能而且已经引发了车辆召回、收入损失和品牌形象受损等问题。原始设备制造商(OEM)和一级供应商面临的问题不再是汽车网络是否需要安全措施,而是如何在实际中实施安全措施,且不会因彻底修改设计而产生高昂成本。

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Microchip Technology Inc. (美国微芯科技公司)推出的全新CryptoAutomotive™ 汽车网络(IVN)信任锚/边界安全设备(TA/BSD)开发工具包让OEM和一级供应商能够对联网汽车系统实施安全保护,从最重要的领域开始,将最高级别的保护部署进汽车网络的每处。CryptoAutomotive TA/BSD开发工具包业内唯一的专为保证安全而设计的汽车工具,通过模拟汽车网络中的安全节点,为系统设计师提供实施安全措施的直观着手点。这款工具允许制造商根据各种规范和行业标准灵活配置安全节点,几乎涵盖了各种安全措施。该工具可以实现安全密钥存储、电子控制装置(ECU)身份验证、硬件加密加速器和其他加密元素。与主机单片机配合使用时,使得设计师能够实施安全启动和控制器局域网(CAN)消息验证等功能,包括在适当情况下通过附加消息验证码(MAC)将CAN 2.0消息转化为可变速率CAN数据(CAN-FD)。

Microchip提供全方位的汽车安全保障。通过协同工作方式,TA/BSD仿真工具包允许OEM继续采用现有单片机(MCU),并在随后添加TA/BSD工具包仿真的伴随芯片,从而利用经过安全标准认证的现有MCU固件。这些伴随芯片将经过预编程,内置安全措施,然后提供给客户,从而实现真正的硬件密钥保护。与采用高端的安全MCU重新设计系统相比,这种“随后添加”的方法可以带来极大的成本优势和上市时间优势。采用高端的安全MCU就意味着需要对MCU的固件架构做重大调整,从而通过硬件和软件共同实施安全措施。

TA/BSD工具包可以与任何ECU、架构、配置或总线配合使用,从而在现有系统中灵活实施安全措施,避免大规模重新设计。伴随芯片解决方案将MCU代码更新量降到最低,因此几乎不会影响现有主机MCU的功能安全评级。这种方法还消除了对内部安全专业知识的需求。该工具提供具有预配置选项的在线图形用户界面(GUI)程序,以便简化和促进实施工作。

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Microchip安全产品部副总裁Nuri Dagdeviren表示:“随着AI技术的巨大进步,迅速提高的自动化程度以及呼之欲出的自动驾驶汽车,业内已普遍认识到保证汽车网络的安全是一项明确而紧急的必要任务。借助这种灵活的“随后添加”方法,Microchip的汽车开发工具包为OEM和一级供应商提供了必要的工具,以便在现有汽车网络中迅速实施安全措施。”

Microchip Technology Inc. 简介

Microchip Technology Inc.(纳斯达克股市代号:MCHP)是全球领先的整合单片机、混合信号、模拟器件和闪存专利解决方案的供应商,为全球数以千计的消费类产品提供低风险的产品开发、更低的系统总成本和更快的上市时间。Microchip总部位于美国亚利桑那州Chandler市,提供出色的技术支持、可靠的产品和卓越的质量。详情请访问公司网站www.microchip.com

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自1831年英国M.法拉第造出第一台手摇圆盘直流发电机,电机已经有超过180年历史,电机是一种利用电和磁的相互作用实现能量转换和传递的电磁机械装置,广义的电机包括电动机和发电机。电动机从电系统吸收电能,向机械系统输出机械能,各种类型的电动机广泛应用于国民经济各部门以及家用电器中,主要作为驱动各种机械设备的动力,实际上,电机是名副其实的“用电大户”,消耗了全球70%以上的工业用电,在我国,各种电机的总耗电量占全社会用电总量的60%以上,在目前绿色、节能、减排严峻形势下,高效能电机方案需求很大,Microchip针对本土需求可以提供包括有刷直流、无刷直流、步进电机、交流感应电机在内的高效能方案。

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Microchip提供全系列的MCU,用于从低成本8位器件到高性能16位和32位器件的电机控制。这些器件包含创新的电机控制PWM外设,包括互补波形和专用时基。高性能dsPIC®DSC内核包含DSP指令,可以更加精确地控制需要恒定转矩变速和面向磁场控制的应用,以获得更高的效率。

Microchip支持基于ARM®Cortex®M0,M4和M7的广泛产品组合,以及基于32位MIPS的PIC32MK系列,为寻求使用DSP扩展的32位浮点处理的客户提供支持。单芯片电机控制和电机驱动解决方案可实现更简单的设计并减少电路板空间。这些器件通常用作PIC®单片机和dsPIC®数字信号控制器的配套芯片。Microchip提供全系列的MCU,用于从低成本8位器件到高性能16位和32位器件的电机控制。这些器件包含创新的电机控制PWM外设,包括互补波形和专用时基。高性能dsPIC®DSC内核包含DSP指令,可以更加精确地控制需要恒定转矩变速和面向磁场控制的应用,以获得更高的效率。

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1、有刷直流电机方案

Microchip有刷直流电机控制方案基于其用于有刷直流电机控制的MCU,栅极驱动器和点火控制器等。这些MCU可用于各种通用和低功耗应用。具有多个PWM,多种通信,温度传感器和内存访问分区(MAP)等功能。

有刷直流电机以用于换向的“电刷”命名。转子或电枢的绕组上有一个换向器。电刷与换向片接触和断开,从而将电源换向到电枢。有刷直流电机很容易控制,因为速度和转矩与施加的电压/电流成正比。

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Microchip有刷直流电机控制方案的特点是良好的可控性、线性转矩/电流曲线、速度与施加的电压成比例、低散热等。

2、无刷直流电机控制方案

Microchip无刷直流电机基于其一系列MCU的点火控制器和无刷直流电机控制驱动器。这些器件在功耗极低的嵌入式应用中非常有用,有非常出色的高效能,这些方案包括用于汽车和工业应用的完整电机控制和驱动解决方案。

Microchip 无刷直流电机应用还包括防锁刹车系统、磁盘驱动器伺服、油门控制等。

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3、步进电机

Microchip的步进电机控制方案基于其全系列MCU,数字信号处理器和控制器。 Microchip数字信号控制器和微控制器具有增强型内核,具有独特功能,可用于小型电机和通用应用的嵌入式控制。这些器件专为高效率系统设计而开发,重点在于降低电机系统整体功耗和成本。

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4、交流感应电机

交流感应电机(ACIM),有时被称为鼠笼式电机,是消费和工业应用中最受欢迎的电机之一。感应电机是迄今为止所有工业电机中最大的一组,将大约70-80%的全部电能转换成机械形式。

Microchip的交流感应电机方案基于其用于有刷交流感应电机控制的全系列MCU。该器件专为设计高效率系统而开发,重点在于降低功耗和成本。这些器件具有智能模拟和独立于核心的外设(CIP)等基本外设,以及针对各种低功耗应用的超低功耗(XLP)通信功能。

交流感应电机主要应用是空调和冰箱压缩机、家用电器、水泵、 鼓风机、工厂自动化、电动工具等。

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5、永磁同步电动机

永磁同步电机(PMSM)具有很高的可靠性和高效率。永磁同步电机可以帮助您在不减少损耗的情况下缩小设计扭矩。永磁同步电机需要像无刷直流电机那样换向,但需要更复杂的控制算法,因此需要性能更高控制器,如Microchip的dsPIC DSC和32位PIC32MK或基于Cortex M的解决方案等。

Microchip提供开发工具和应用笔记来帮助您开发先进的PMSM控制诸如无传感器磁场定向控制(FOC)等解决方案。

永磁同步电机典型应用包括
• 空调和冰箱压缩机
• 直接驱动洗衣机
• 汽车电动助力转向
• 加工工具
• 牵引控制
• 工业缝纫机

对于电机控制,Microchip始终追求在降低成本(例如减少永久磁铁的使用)的同时,能够达到电机高转矩输出和高效率。这正是工业控制、白电和汽车这三个应用领域所需要的。着对于电机效率要求的提高,寻求具有更高性价比的替代越来越成为重中之重。Microchip公司一直致力于提高并改进外设性能,提供优秀平台,助力客户开发出具有高品质的产品,可以给您提供所需的高效能电机控制方案,我们可以自豪地说,“总有一款电机控制方案适合您!”

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前方高能~福利来啦!

为帮助大家了解Microchip高效能电机控制方案,贸泽电子微信特举办一次福利活动,只要大家在留言处回答我们提出的问题,我们会抽取10名幸运儿送出夏季清凉套装(礼品是:小米移动电源+小米风扇)欢迎参加活动!

问题

问题1:Microchip高效能电机控制基于多少位MCU?

问题2:Microchip哪些器件可以实现永磁同步电机?

欢迎各位点击以下按钮,在后台留下您的答案,礼品有限,先到先得哦!

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