MCUs mit innovativen C29-Cores verbessern die Echtzeit-Performance von Hochspannungssystemen

Echtzeit-Mikrocontroller (MCUs) spielen eine entscheidende Rolle bei den Bestrebungen, Hochspannungs-Systeme im Bereich der Automobiltechnik und der Energie-Infrastruktur so zu konzipieren, dass sie den Anforderungen in Sachen Energieeffizienz, Leistungsdichte und Sicherheit gerecht werden. Ganz gleich, ob es um Bordladegeräte (On-Board Chargers, OBCs) oder unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USVs) geht – stets wird von diesen Bauelementen eine schnelle und deterministische Performance für zeitkritische Aufgaben unter rauen Umgebungsbedingungen verlangt.

Die auf dem C29-Core von TI basierenden C2000-MCUs der Serie F29H85x sind dafür ausgelegt, die hohen Verarbeitungs- und Sicherheitsanforderungen von Hochspannungssystemen zu erfüllen. Gegenüber der Performance des vorigen C28-Cores von TI und anderer MCUs auf dem Markt wurde die Leistungsfähigkeit dieser MCUs auf das Zwei- bis Fünffache gesteigert, und zusätzlich sind die neuen Bausteine mit fortschrittlichen, integrierten Safety- und Security-Features ausgestattet. Diese helfen den Entwicklern beim Optimieren der Zuverlässigkeit und Integrität ihrer Systeme, während gleichzeitig die Designkomplexität und die Kosten reduziert werden.

Hier einige Innovationen des C29-Cores:

• Überarbeitete Plattform: Die VLIW-Architektur mit vollständig geschützter Pipeline erlaubt die parallele Ausführung von bis zu acht Instruktionen.
• Neuer Compiler: Gesteigerte Leistungsfähigkeit dank des LLVM/Clang-Compilers zur Erfüllung der Leistungsvorgaben, ohne auf benutzerdefinierte Codierung oder Assemblierung zurückgreifen zu müssen.
• Überarbeitete Interrupt-Performance: Hardware ermöglicht das schnelle, automatische Abspeichern und Wiederherstellen von Kontexten für Echtzeit-Interrupts, und der neue Interrupt-Controller gestattet die uneingeschränkte Konfiguration der Interrupt-Prioritäten und -Schwellen seitens der Anwender.
• Gesteigerte Echtzeit-Performance: Latenzarme Speicher und ein Peripherie-Interconnect-Design mit eingebauten Safety- und Security-Features sorgen für verbesserten Schutz unter gleichzeitiger Wahrung maximaler Echtzeit-Performance.

Der vorliegende Artikel untersucht, auf welche Weise Echtzeitsteuerungs-MCUs wie der F29H859TU-Q1 und der F29H850TU mit ihren C29-Cores Entwicklern dabei helfen, in Subsystemen für Elektrofahrzeuge (z. B. OBCs sowie Hoch- und Niederspannungs-DC/DC-Wandler) und die Energie-Infrastruktur (z . B. PV-Wechselrichter und USVs) für mehr Leistungsfähigkeit und Energieeffizienz zu sorgen und hohe Schaltfrequenzen zu unterstützen.

Dank eines höher integrierten Designkonzepts in EV-Subsystemen wie etwa OBCs, hoch- und niederspannungsseitigen DC/DC-Wandlern und Hostintegrations-Systemen wird es den Entwicklern ermöglicht, die Energieeffizienz zu verbessern, Kosten und Gewicht der Systeme zu reduzieren und das Management der Sicherheitsfunktionen in ihren Designs zu straffen.

Um mehrere Anwendungen von einem einzigen MCU verarbeiten zu lassen, muss üblicherweise jeder Funktion ein eigener Core zugewiesen werden. Zum Beispiel kann ein Core für den OBC und ein anderer für den Hoch- oder Niederspannungs-Gleichspannungswandler zuständig sein. Kommt dagegen ein MCU aus der F29H85x-Serie zum Einsatz, lassen sich zwei der drei Cores dieses MCU im Lockstep-Betrieb zur Verarbeitung kritischer Funktionen nutzen, die für einen Host-Mikrocontroller erforderlich sind. Dies können beispielsweise AUTOSAR oder entscheidende Safety- und Security-Tasks gemäß ASIL-D sein, während der verbleibende Core die Steuerungsfunktionen des Systems übernimmt.

Der C29-Core ist in die Safety and Security Unit (SSU) integriert, um die nahtlose Verarbeitung mehrerer Steuerungsfunktionen in ein und demselben Core zu ermöglichen und gleichzeitig zu verhindern, dass sich die Funktionen gegenseitig beeinträchtigen. Hierdurch wird für eine vollständige Isolation gesorgt, und es kommt zu keinen gegenseitigen Störungen zwischen den Funktionen.

Die MCUs der Serie F29H85x bewirken eine weitere Leistungssteigerung in Automobilsystemen, indem sie die Nutzung neuer Regelungstopologien und -algorithmen wie etwa der Matrix-Konverter-Topologie erlauben, die dank der verbesserten EPWM-Features möglich werden. Bestandteil dieser Features ist ein komplexes Vergleichsschema, das auch Sicherheitsprüfungen wie eine garantierte minimale Totzeit und eine Illegal-Combo-Logik einbezieht. Überdies unterstützen integrierte ADCs in diesen MCUs die präzise Sensorik, und zwar mit Features wie Hardware-Oversampling und einer Sicherheitsprüfung der Ergebnisse, was den Softwareaufwand für gängige Aufgaben minimiert.

Designer von Energieinfrastruktur-Anwendungen stehen vor ähnlichen Herausforderungen wie Entwickler von Automobilsystemen und müssen der wachsenden Nachfrage nach mehr Systemeffizienz gerecht werden. Systeme für die Energie-Infrastruktur, wie etwa PV-Wechselrichter und unterbrechungsfreie Stromversorgungen (Bild 1), sollen einerseits immer mehr Energie bereitstellen, andererseits aber auch Schutz vor Cyberattacken bieten.

Um mehr Energieeffizienz und eine höhere Leistungsdichte zu erzielen, können Entwickler auf Wide-Bandgap-Halbleiter (SiC und GaN) setzen und sich die MCUs der F29H85x-Serie zunutze machen, um die Schalt- und Regelungsfrequenzen anheben zu können. Höhere Regelungsfrequenzen verbessern nämlich nicht nur den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte bei der Leistungswandlung, sondern erlauben auch die Verwendung kleinerer passiver Bauelemente (z. B. Kondensatoren und Induktivitäten), sodass sich die benötigte Leiterplattenfläche weiter reduziert.

Was das Thema Sicherheit anbelangt, trägt die Integration des Hardware Security Module (HSM) und der SSU in den C29-Core dazu bei, Energie-Infrastrukturen vor potenzieller Schadsoftware zu schützen. Die SSU hilft zu verhindern, dass Malware laufende Funktionen in den MCUs unterbricht, und gleichzeitig werden der Speicher und die Peripheriefunktionen geschützt, ohne dass sich die Echtzeit-Performance verschlechtert. Zugriffsberechtigungen für Speicher und Peripheriefunktionen werden von der SSU automatisch und hardwaremäßig verwaltet. Gemeinsam mit dem C29-Core verwaltet die SSU überdies unabhängige Stackpointer und Stack-Speicher für jede isolierte Anwendungsfunktion, sodass ein Schutz vor Malware und anderen Cyberattacken besteht.

Die Architektur der F29H85x-MCUs unterstützt zwei Flash-Banks (A und B), wodurch Live-Firmware-Updates (LFUs) fast gänzlich ohne Stillstandszeiten möglich sind. Zusätzlich zur grundlegenden Inhalts-Verifikation durch den Flash-Controller nach der Programmierung, überprüft das HSM die allgemeine Integrität des Updates. Nicht zuletzt unterstützt die Architektur das Rollback von Softwareupdates auf die vorige Version, aber auch das dauerhafte Blockieren von Rollbacks im Fall kritischer Security-Updates.

Angesichts des zunehmenden Bedarfs an effizienten und geschützten Energie-Designs helfen die MCUs der Serie F29H85x mit ihren C29-Cores bei der Gestaltung künftiger Hochspannungs-Applikationen. Indem sie das Design vereinfachen, die Kosten senken und die Zuverlässigkeit verbessern, geben diese hochgradig skalierbaren Mikrocontroller den Entwicklern die Möglichkeit, ihre aktuellen Systeme zu erweitern.