工业系统

新的STM32H7R/S微控制器将嵌入式应用性能提高到一个新水平,适合新一代智能工厂、建筑、基础设施和健康监测设备

服务多重电子应用领域、全球排名前列的半导体公司意法半导体(STMicroelectronics,简称ST;纽约证券交易所代码:STM) 发布了一款新的集MPUMCU两者之长的高性能产品。微处理器(MPU)系统通常更加复杂,处理性能、系统扩展性和数据安全性更高,而微控制器(MCU)系统的优势是简单和集成度高。取两者之长,意法半导体新产品越级进化。

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在采用这些新的STM32H7 MCU后,设备厂商可以更快、更经济地开发智能家电、智能楼宇控制器、工业自动化和个人医疗设备,满足终端市场用户日益增长的需求。具体用例包括增加更丰富多彩的图形用户界面,同时执行多个不同的功能。这些设计往往需要用微处理器(MPU)才能实现。

意法半导体通用MCU部门总经理Patrick Aidoune表示:“很荣幸我们的STM32是世界上很受欢迎的Arm Cortex-M微控制器,而最新的STM32H7系列能够让设计师依托这个强大的生态系统处理更多的用例,它的MPU级特性具有卓越的核心性能,兼备MCU的外设集成度和便利性,而且价格实惠。”

STM32H7R/S MCU的潜在客户Riverdi公司的首席执行官Kamil Kozlowski表示: “这两款MCU集成专用图形处理器和快速存储接口,与我们突破嵌入式显示器极限的使命完美契合。Riverdi选用这款芯片设计下一代显示模组。新MCU有望提高未来屏显的视觉性能和响应速度,为用户带来更具吸引力的用户体验,这代表我们在向客户提供尖端屏显解决方案的研发过程中迈出重要一步。”

STM32H7R和STM32H7S两款新微控制器具有强大的安全功能,能够满足物联网(IoT)应用对网络安全的要求。两款产品的共同安全功能包括防止物理攻击、存储器保护、在运行时保护应用程序的代码隔离保护功能,以及平台验证。此外,STM32H7S产品还增加了更多的强化的安全功能,集成了不可变的信任根、调试验证,以及硬件加密加速器,其中,硬件加密加速器支持最新的加密算法,防止非法访问代码和数据。利用这些安全保护功能,这两款产品聚焦于SESIP3和PSA 3级以下安全认证,满足业内最高的网络安全保护标准。

STM32H7 MCU搭载了在意法半导体迄今发布的产品中性能最高的Arm®Cortex®-M内核(最高运行频率600MHz的Cortex-M7),集成了容量最小的片上存储器和高速外部接口,让工程师能够使用简单的低成本微控制器开发工具,开发性能和灵活性更高的系统。现有产品再细分为两个产品线:STM32H7R3/S3通用MCU和图形处理能力增强的STM32H7R7/S7。开发人员可以在两个产品之间全面共享软件,有效利用项目资源,加快新产品上市。

ABI Research机构高级研究总监Michela Menting表示: “物联网硬件安全是开发者在开发可信设备时追求的永恒目标。难点在于为MCU嵌入式硬件带来高安全性,实现MPU级别的处理性能,同时保证出色的成本效益,这三个标准在市场上通常无法同时满足。新的STM32H7 MCU似乎正是具备这一特质,把安全功能放在首位和中心位置,能够满足消费电子和工业领域多应用对隐私安全的迫切要求。”

意法半导体的新STM32H7 MCU计划2024年4月开始量产。申请样片和询价联系意法半导体当地销售办事处。

意法半导体还提供STM32H7S8-DK演示开发平台,以及价格实惠且可扩展的NUCLEO-H7S3L8 MCU开发板,加快使用新产品开发应用的速度。

详情访问www.st.com/stm32h7rs-product-overview

技术说明:

关于STM32H7系列微控制器,ST的产品策略是在芯片上嵌入Bootflash闪存和SRAM存储器,而应用代码和数据存放在片外存储器芯片上。Bootflash闪存确保系统启动更容易、更安全,与STM32 MCU保持一致,便于开发者沿用熟悉的开发工具和STM32软件包。STM32Cube软件和工具可帮助开发人员设置启动系统,把代码存放在外部存储器内。

开发人员可以自由地选择类型和容量适合应用设计的外部存储器,同时确保物料成本(BoM)具有经济效益;可以从外部存储器执行应用程序代码,也可以将其加载到大容量的SRAM内部存储器。在连接外部存储器芯片的I/O引脚内,存储器加密引擎(MCE)在数据传输期间动态加解密编码数据。该存储器接口在DTR模式下工作频率高达200MHz,确保应用程序运行顺畅,无卡顿。

除了高性能内核外,这款微控制器还集成了其NeoChrom GPU图形处理器,能够实现MPU级别的图形用户界面(GUI),具有丰富的色彩,支持动画播放和3D图效。这两款MCU还集成了显示控制器,能够处理绚丽的高清彩色用户界面,在过去,小小的微控制器很难胜任这个工作。运行图形用户界面仅占用大约10%的主CPU性能,因此,目标应用能够提供媲美智能手机的用户体验,同时还能运行边缘人工智能、通信和实时控制等要求苛刻的应用程序。STM32H7R和STM32H7S两款微控制器都支持ST的TouchGFX GUI开发框架,意法半导体不断更新该框架的功能,使开发人员能够用流畅的图形和动画创造富有想象力的视觉效果。

作为MCU,新产品允许用户设计开发层数比典型MPU少很多的简单的PCB印刷电路板,从而节省成本。新产品给设计人员带来的另一个好处是,有多种封装可选,从68引脚的低成本封装,到最多225引脚的封装,既可以满足成本预算需求,又可以解决外部连接设备数量多的问题,例如,大量传感器输入或通信通道。

此外,与MPU典型做法不同的是,新微控制器还集成了电源管理功能,而MPU则需要一个外部电源管理芯片(PMIC)。

* STM32 是意法半导体国际有限公司(STMicroElectronics International NV) 或其关联公司在欧盟和/或其他地方的注册和/或未注册商标。 特别是,STM32已在美国专利商标局注册。

关于意法半导体

意法半导体拥有5万名半导体技术的创造者和创新者,掌握半导体供应链和先进的制造设备。作为一家半导体垂直整合制造商(IDM),意法半导体与二十多万家客户、成千上万名合作伙伴一起研发产品和解决方案,共同构建生态系统,帮助他们更好地应对各种挑战和新机遇,满足世界对可持续发展的更高需求。意法半导体的技术让人们的出行更智能,让电源和能源管理更高效,让云连接的自主化设备应用更广泛。意法半导体承诺将于2027年实现碳中和(在范围1和2内完全实现碳中和,在范围3内部分实现碳中和)。详情请浏览意法半导体公司网站:www.st.com

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电力电子产品设计人员致力于提升工业和汽车系统的功率效率和功率密度,这些设计涵盖多轴驱动器、太阳能、储能、电动汽车充电站和电动汽车车载充电器等。

这些系统的主要设计挑战之一是在降低系统成本的同时,实现更出色的实时控制性能。要应对这一挑战,常用的方法是使用拥有超低延迟控制环路处理功能的模拟和控制外设的高度集成的微控制器 (MCU)

实时控制性能:延迟是关键

在深入应用实例之前,先让我们简要看下“延迟”。在多轴驱动器、机器人、具有储能系统的光伏逆变器、电动汽车充电站和电动汽车中,控制性能与 MCU 对信号进行采样、处理和控制的速度直接相关。图 1 展示了实时信号链和信号延迟之间的关系,信号延迟指从模数转换器 (ADC) 测量信号,到 CPU 处理信息,以及脉宽调制器 (PWM) 控制功率的时间。这个时间需要尽可能小,才能实现超低延迟控制环路处理。

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1:实时性能和延迟的概念

对于数字电源来说,实现较高的功率密度意味着要将 DC/DC 的开关频率从 50kHz 提高到 100kHz500kHz 或更高。如果您使用的 MCU 100MHz 运行并且稳压环路同步到 PWM 频率,在 10kHz 时,PWM 中断之间的可用 CPU 周期数为 10,000,而在 100kHz 时会降为 1,000。随着频率上升,可用于检测流程控制的时间缩短,因此您需要优化 MCU 架构,以便在实时信号链中尽量节省每个周期的时间。

在光伏逆变器和储能系统中实现下一代电源

如图 2 所示,光伏逆变器市场不断发展,出现了集成储能系统的混合逆变器,带来了控制双向能量转换的挑战。单芯片架构需要使用具有许多高分辨率 PWM 通道和额外高带宽 ADC 输入的 MCU,例如 TMS320F28P650DK C2000 32 MCU

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2:集成了储能系统的光伏逆变器架构

为满足许多应用中对可再生能源不断增长的需求,光伏逆变器需要更高的功率效率和更好的总谐波失真性能。一种方法是使用更新的多相多级逆变器电源架构。这类架构通常通过一组复杂的电源算法和额外的外部逻辑(例如复杂的可编程逻辑器件或现场可编程门阵列)来实现,以便使用正确的序列安全地打开和关闭电源开关。这种方法会增加布板空间和系统成本。

能在不同 PWM 模块中支持板载定制、最小死区和非法组合逻辑(用于防止破坏性上电/断电序列的 MCU 特性)的 MCU 可让设计人员在降低成本的同时,减少或甚至移除外部逻辑,从而进一步简化设计。

此外,务必将 PWM 单元和集成的模拟窗口比较器进行紧密耦合,以便为电源转换器提供过流和过压保护。基于电源拓扑,您要选择的 MCU 可能需要搭载能够实现对谐振模式转换器峰值电流和谷值电流模式控制的 PWM 单元。

在电动汽车车载充电器中实现更轻松、更快速的集成

随着全球电动汽车数量的增长,设计人员需要找到新的解决方案,以便使车载充电器进一步集成并降低其成本。典型的实现方案为两个彼此隔离的 MCU,一个用于车载充电器功率因数校正,另一个用于车载充电器 DC/DC

尽管采用单个 MCU 会增加将信号发送回 MCU 所需的隔离器件,但其增加的成本可与减少元件数量节省的成本相抵,包括减少 CAN 收发器、稳压器、电源管理集成电路、运算放大器以及实现返回主机 MCU 通信所需的隔离。

3 展示了单个 MCU 控制高达 22kW 的三相车载充电器功率级拓扑。PFC 级是两相交错式图腾柱,而 DC/DC 级是双电容-电感-电感-电感-电容 (CLLLC),可减小变压器尺寸和场效应晶体管的电流等级。

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3:由单个 MCU 控制的三相电动汽车车载充电器(PFC DC/DC

确定所需的最少 MCU 硬件资源(PWMADC、比较器)后,您可能还希望在降低 CPU 开销的同时,实现更多的软件集成。由于集成可以实现对单个器件上更多信号的采样,选择的 MCU 如包含内置基于硬件的过采样和偏移量校准功能的 ADC,可简化软件设计,从而使 MCU 具有更高的周期效率,并能够更快运行控制环路。

另一个挑战是对具有不同实时限制的多个任务进行软件集成:PFCDC/DC 以及辅助控制和安全性需要共存,这让软件开发变得更加复杂。

从单核 MCU 转向多核 MCU 架构并在 MCU 内核之间分配存储器、PWM 和模拟资源,可帮助实现向多个内核分配不同的控制环路频率,例如,一个内核用于控制 PFC,另一个用于运行两个 CLLLC。每个内核以不同的独立频率运行控制环路:图腾柱通常为固定频率,但车载充电器的直流/直流电源转换级(图 3)不断变化。使用多核架构还有助于实现更可靠、更精密的过流和过压保护(因为可以针对每个内核优化每个控制环路),无需外部监控元件,还可以降低成本。

电动汽车将在数分钟内充满电,每个家庭都将使用光伏和储能系统,工厂将使用更多高效的机器人并实现能源足迹更少的自动化……实时控制 MCU 的创新将为实现更清洁、更安全、更高效的世界铺平道路

关于德州仪器 (TI)

德州仪器 (TI)(纳斯达克股票代码:TXN)是一家全球性的半导体公司,致力于设计、制造、测试和销售模拟和嵌入式处理芯片,用于工业、汽车、个人电子产品、通信设备和企业系统等市场。我们致力于通过半导体技术让电子产品更经济实用,创造一个更美好的世界。如今,每一代创新都建立在上一代创新的基础之上,使我们的技术变得更小巧、更快速、更可靠、更实惠,从而实现半导体在电子产品领域的广泛应用,这就是工程的进步。这正是我们数十年来乃至现在一直在做的事。欲了解更多信息,请访问公司网站www.ti.com.cn

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电力电子产品设计人员致力于提升工业和汽车系统的功率效率和功率密度,这些设计涵盖多轴驱动器、太阳能、储能、电动汽车充电站和电动汽车车载充电器等。

这些系统的主要设计挑战之一是在降低系统成本的同时,实现更出色的实时控制性能。要应对这一挑战,常用的方法是使用拥有超低延迟控制环路处理功能的模拟和控制外设的高度集成的微控制器 (MCU) 。

实时控制性能:延迟是关键

在深入应用实例之前,先让我们简要看下“延迟”。在多轴驱动器、机器人、具有储能系统的光伏逆变器、电动汽车充电站和电动汽车中,控制性能与 MCU 对信号进行采样、处理和控制的速度直接相关。图 1 展示了实时信号链和信号延迟之间的关系,信号延迟指从模数转换器 (ADC) 测量信号,到 CPU 处理信息,以及脉宽调制器 (PWM) 控制功率的时间。这个时间需要尽可能小,才能实现超低延迟控制环路处理。

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图 1:实时性能和延迟的概念

对于数字电源来说,实现较高的功率密度意味着要将 DC/DC 的开关频率从 50kHz 提高到 100kHz、500kHz 或更高。如果您使用的 MCU 以 100MHz 运行并且稳压环路同步到 PWM 频率,在 10kHz 时,PWM 中断之间的可用 CPU 周期数为 10,000,而在 100kHz 时会降为 1,000。随着频率上升,可用于检测流程控制的时间缩短,因此您需要优化 MCU 架构,以便在实时信号链中尽量节省每个周期的时间。

在光伏逆变器和储能系统中实现下一代电源

如图 2 所示,光伏逆变器市场不断发展,出现了集成储能系统的混合逆变器,带来了控制双向能量转换的挑战。单芯片架构需要使用具有许多高分辨率 PWM 通道和额外高带宽 ADC 输入的 MCU,例如 TMS320F28P650DK C2000™ 32 位 MCU。

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图 2:集成了储能系统的光伏逆变器架构

为满足许多应用中对可再生能源不断增长的需求,光伏逆变器需要更高的功率效率和更好的总谐波失真性能。一种方法是使用更新的多相多级逆变器电源架构。这类架构通常通过一组复杂的电源算法和额外的外部逻辑(例如复杂的可编程逻辑器件或现场可编程门阵列)来实现,以便使用正确的序列安全地打开和关闭电源开关。这种方法会增加布板空间和系统成本。 

能在不同 PWM 模块中支持板载定制、最小死区和非法组合逻辑(用于防止破坏性上电/断电序列的 MCU 特性)的 MCU 可让设计人员在降低成本的同时,减少或甚至移除外部逻辑,从而进一步简化设计。

 此外,务必将 PWM 单元和集成的模拟窗口比较器进行紧密耦合,以便为电源转换器提供过流和过压保护。基于电源拓扑,您要选择的 MCU 可能需要搭载能够实现对谐振模式转换器峰值电流和谷值电流模式控制的 PWM 单元。

在电动汽车车载充电器中实现更轻松、更快速的集成

随着全球电动汽车数量的增长,设计人员需要找到新的解决方案,以便使车载充电器进一步集成并降低其成本。典型的实现方案为两个彼此隔离的 MCU,一个用于车载充电器功率因数校正,另一个用于车载充电器 DC/DC。 

尽管采用单个 MCU 会增加将信号发送回 MCU 所需的隔离器件,但其增加的成本可与减少元件数量节省的成本相抵,包括减少 CAN 收发器、稳压器、电源管理集成电路、运算放大器以及实现返回主机 MCU 通信所需的隔离。 

图 3 展示了单个 MCU 控制高达 22kW 的三相车载充电器功率级拓扑。PFC 级是两相交错式图腾柱,而 DC/DC 级是双电容-电感-电感-电感-电容 (CLLLC),可减小变压器尺寸和场效应晶体管的电流等级。

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图 3:由单个 MCU 控制的三相电动汽车车载充电器(PFC 与 DC/DC)

确定所需的最少 MCU 硬件资源(PWM、ADC、比较器)后,您可能还希望在降低 CPU 开销的同时,实现更多的软件集成。由于集成可以实现对单个器件上更多信号的采样,选择的 MCU 如包含内置基于硬件的过采样和偏移量校准功能的 ADC,可简化软件设计,从而使 MCU 具有更高的周期效率,并能够更快运行控制环路。 

另一个挑战是对具有不同实时限制的多个任务进行软件集成:PFC、DC/DC 以及辅助控制和安全性需要共存,这让软件开发变得更加复杂。 

从单核 MCU 转向多核 MCU 架构并在 MCU 内核之间分配存储器、PWM 和模拟资源,可帮助实现向多个内核分配不同的控制环路频率,例如,一个内核用于控制 PFC,另一个用于运行两个 CLLLC。每个内核以不同的独立频率运行控制环路:图腾柱通常为固定频率,但车载充电器的直流/直流电源转换级(图 3)不断变化。使用多核架构还有助于实现更可靠、更精密的过流和过压保护(因为可以针对每个内核优化每个控制环路),无需外部监控元件,还可以降低成本。

电动汽车将在数分钟内充满电,每个家庭都将使用光伏和储能系统,工厂将使用更多高效的机器人并实现能源足迹更少的自动化……实时控制 MCU 的创新将为实现更清洁、更安全、更高效的世界铺平道路。

来源:德州仪器

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