2024年，英飛凌為了應(yīng)對(duì)MCU市場(chǎng)的挑戰(zhàn)，宣布革新其PSOC平臺(tái)，分別命名為PSOC Edge、PSOC Control和PSOC Connect。顧名思義，三大MCU平臺(tái)對(duì)應(yīng)了如今流行的主要MCU應(yīng)用——邊緣AI，控制以及連接。PSOC MCU最初由賽普拉斯推出。20 世紀(jì) 90 年代末，賽普拉斯開始研發(fā) PSOC 技術(shù)，旨在將可編程邏輯與微控制器的功能集成于一體，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更靈活、高效的解決方案。當(dāng)時(shí)，傳統(tǒng)的 MCU 在面對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求時(shí)，往往需要外接大量的周邊電路，這不僅增加了系統(tǒng)成本和電路板面積，還降低了系統(tǒng)的可靠性。PSOC 的出現(xiàn)，正是為了解決這些問(wèn)題。隨著賽普拉斯被英飛凌收購(gòu)。此后，PSOC MCU 成為英飛凌產(chǎn)品組合中的重要一員，在英飛凌的資源和技術(shù)支持下，繼續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新。此次PSOC的全新升級(jí)，除了繼承以往的特性之外，還突出了PSOC面對(duì)三大市場(chǎng)的打法，即按照應(yīng)用需求指定產(chǎn)品開發(fā)策略。PSOC Control問(wèn)世日前英飛凌宣布PSOC Control C3正式問(wèn)世，這也是最新的PSOC Control首個(gè)宣布量產(chǎn)的產(chǎn)品，PSOC Edge和PSOC Connect將于今年年中和明年量產(chǎn)。PSOC Control C3將聚焦于電機(jī)控制和電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，其關(guān)鍵差異化在于MCU具備實(shí)現(xiàn)超高速控制回路的強(qiáng)大能力。英飛凌科技物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)和消費(fèi)級(jí)微控制器高級(jí)副總裁Steve Tateosian表示，目前MCU在電機(jī)控制領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模約為 17 億歐元，年增長(zhǎng)率約 7%。電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域市場(chǎng)規(guī)模約 8 億歐元，年增長(zhǎng)率為 9%。這也給PSOC帶來(lái)了廣闊的發(fā)展空間。具體而言，在電機(jī)控制領(lǐng)域，家電占據(jù)主導(dǎo)地位，其次是廣泛的工業(yè)應(yīng)用以及智能家居領(lǐng)域。這個(gè)市場(chǎng)細(xì)分還包括電動(dòng)工具和園藝設(shè)備等。在電源轉(zhuǎn)換方面，市場(chǎng)主要由工業(yè)領(lǐng)域主導(dǎo)。Tateosian特別強(qiáng)調(diào)，隨著人工智能服務(wù)器的快速發(fā)展，開關(guān)電源也有了更新的需求。
實(shí)際上，無(wú)論是電機(jī)還是電源市場(chǎng)，包括氮化鎵和碳化硅在內(nèi)的寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用越來(lái)越火熱，由于寬禁帶半導(dǎo)體的頻率更高，因此對(duì)于MCU也有了新的要求，在外設(shè)分辨率、CPU處理能力等方面都需要提升，這也是PSOC Control的重要競(jìng)爭(zhēng)力之一。另外，如今安全性也成為一大重要挑戰(zhàn)，尤其是當(dāng)產(chǎn)品中包含重要安全信息，無(wú)論是工業(yè)應(yīng)用還是家庭應(yīng)用，產(chǎn)品的信息安全都成為了一項(xiàng)重要考量，在這方面PSOC Control也有著其獨(dú)創(chuàng)性。PSOC Control C3 MCU的特點(diǎn)
PSOC Control產(chǎn)品框圖PSOC Control C3采用了Arm Cortex M33處理器。M33 基于 ARMv8-M 架構(gòu)，而 M7 基于 Armv7-M 架構(gòu)。這意味著 M33 支持 ARM 的 TrustZone 技術(shù)，能為嵌入式設(shè)備提供更好的安全性。另外，M33在低功耗模式下的性能更優(yōu)，更適合電池觀點(diǎn)的設(shè)備。不過(guò)M7的性能更強(qiáng)。M7 采用六級(jí)流水線和雙發(fā)射超標(biāo)量架構(gòu)，可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行兩條指令；M33 則采用四級(jí)流水線架構(gòu)，每個(gè)時(shí)鐘周期只能執(zhí)行一條指令。而對(duì)于浮點(diǎn)運(yùn)算，M7 能夠進(jìn)行雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算，而 M33 只支持單精度浮點(diǎn)運(yùn)算。無(wú)論是M33還是M7都在電機(jī)和電源領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，也是Arm進(jìn)入數(shù)控市場(chǎng)的王牌產(chǎn)品，具體使用場(chǎng)景還要根據(jù)實(shí)際需求而定。
PSOC C3主線產(chǎn)品特性一覽英飛凌一出手，就是直接推出了34款產(chǎn)品，包括C3M和C3P兩大產(chǎn)品線，其中M適用于電機(jī)、P則適用于電源。
PSOC Control產(chǎn)品線一覽
PSOC Control C3M和C3P的具體區(qū)別如圖所示，電機(jī)應(yīng)用中包括了三角函數(shù)加速器以及霍爾傳感器接口等針對(duì)電機(jī)優(yōu)化的功能。同時(shí)，為了滿足不同檔次應(yīng)用，英飛凌推出包括入門級(jí)以及主流產(chǎn)品線等分類。從 48 引腳、128K 內(nèi)存、100 MHz主頻的設(shè)備，到 256K 內(nèi)存、80 引腳、180 MHz主頻的產(chǎn)品。這些設(shè)備在封裝上具有通用引腳布局，開發(fā)者可以在復(fù)用相同硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)，擴(kuò)展軟件功能并提升應(yīng)用性能，還能滿足各種不同應(yīng)用需求。這使得開發(fā)者在軟件開發(fā)和 PCB 及系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上只需投入一次，然后可以根據(jù)系統(tǒng)性能需求選擇最具成本效益的 MCU 。另外，在未來(lái)英飛凌的產(chǎn)品規(guī)劃中，也將涵蓋更低成本以及高性能的不同組合。值得一提的是，正是由于M33的功耗相比M7低，因此PSOC非常適合電池驅(qū)動(dòng)的手持電動(dòng)設(shè)備，如今越來(lái)越多的電動(dòng)工具采用電池供電，更多機(jī)器人也采用了電池驅(qū)動(dòng)，因此更低功耗也意味著更久的續(xù)航，更好的用戶體驗(yàn)。
在信息安全性方面，借助 ARMv8-M，PSOC Control實(shí)現(xiàn)了PSA Certified 2 級(jí)認(rèn)證。它配備了加密加速器、TrustZone和安全密鑰存儲(chǔ)功能，可實(shí)現(xiàn)安全的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)和基于云的設(shè)計(jì)，方便用戶安全可靠的實(shí)現(xiàn)OTA升級(jí)，并且保護(hù)關(guān)鍵IP和用戶資料的安全性。而在功能安全上面，英飛凌提供Class B/ SIL 2 軟件安全庫(kù)，這在大家電或其他工業(yè)應(yīng)用中都很常見(jiàn)且是必需的。關(guān)于AI的支持如今，很多MCU都加入了NPU，從而實(shí)現(xiàn)諸如預(yù)測(cè)性維護(hù)、拉弧檢測(cè)等等功能。英飛凌也認(rèn)為在電機(jī)和電源轉(zhuǎn)換等應(yīng)用中采用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)具有重要意義，并且其產(chǎn)品支持相關(guān)應(yīng)用。實(shí)際上，英飛凌已經(jīng)整合了一套完整的機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)。在機(jī)器學(xué)習(xí)方面，具備系統(tǒng)監(jiān)測(cè)功能，可用于預(yù)測(cè)性維護(hù)和故障檢測(cè)或預(yù)防。2023年，英飛凌就收購(gòu)了Imagimob，強(qiáng)化邊緣AI的部署。關(guān)于未來(lái)PSOC Control是否會(huì)內(nèi)置NPU的相關(guān)路線圖時(shí)，Tateosian并沒(méi)有透露太多。不過(guò)目前而言，PSOC Control的新品雖無(wú)專門的 NPU，但整體 CPU 性能充足，且通過(guò)DSP、FPU以及Cordic加速器可以有效卸載CPU算力，能夠預(yù)留出空間以支持與電機(jī)和電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用相關(guān)的機(jī)器學(xué)習(xí)使用。關(guān)鍵的實(shí)時(shí)性支持無(wú)論是電機(jī)還是電源應(yīng)用，對(duì)于實(shí)時(shí)性控制閉環(huán)的要求都極高，英飛凌通過(guò)三方面改善了這一需求。包括：高性能 12 位、120Msps的SAR（逐次逼近寄存器型）型ADC內(nèi)置 16 通道采樣保持功能功能豐富的定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器 / TCPWM模塊特別注意的是，針對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體開關(guān)應(yīng)用，PSOC Control 具有獨(dú)特的空閑采樣ADC，通過(guò)最大限度減少采樣與轉(zhuǎn)換之間的時(shí)間延遲來(lái)提升系統(tǒng)性能。PWM的分辨率低于 100 皮秒，可生成純凈的信號(hào)，允許系統(tǒng)對(duì)高達(dá) 200kHz 的開關(guān)頻率進(jìn)行控制。在一份報(bào)告（Pseudo-Differential Processing ADC in the PSOC Control C3 MCU Reduces Time, Complexity and System BOM Cost）中介紹了英飛凌 PSOC Control C3 中偽差分處理 ADC 在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，通過(guò)與傳統(tǒng)差分傳感方法對(duì)比，闡述其在降低時(shí)間復(fù)雜度、系統(tǒng)成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度方面的優(yōu)勢(shì)。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)里，可靠的控制參數(shù)傳感很關(guān)鍵，但測(cè)量信號(hào)常受噪聲干擾。相比離散電路和 ASIC，基于微控制器的可編程控制系統(tǒng)在成本、通用性和可配置性上優(yōu)勢(shì)明顯。PSOC Control C3 MCU 專為控制應(yīng)用設(shè)計(jì)，其 ADC 的采樣率影響控制回路執(zhí)行時(shí)間和系統(tǒng)性能，多參數(shù)同時(shí)采樣能提升復(fù)雜系統(tǒng)的控制性能。傳統(tǒng)差分傳感方法如下：在電機(jī)控制的無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制（FOC）算法中，電流檢測(cè)需模擬前端（AFE）對(duì)信號(hào)調(diào)理后再由 ADC 讀取。常用的電流檢測(cè)技術(shù)有低端直流鏈路單分流器或逆變器低端支路兩 / 三分流器。因分流電阻值小，需放大分流電壓以充分利用 ADC 測(cè)量范圍。測(cè)量逆變器支路的正負(fù)電流時(shí)，單端 ADC 需給分流信號(hào)加偏置電壓。該方法使用的運(yùn)算放大器需具備高增益帶寬積和軌到軌操作能力，且在布局、元件放置和信號(hào)布線方面有諸多限制 。PSOC Control C3 MCU 的偽差分方法如下：利用 PSOC Control C3 MCU 的獨(dú)特功能，提出一種偽差分方法。通過(guò)兩個(gè)連續(xù)的 ADC 輸入實(shí)現(xiàn)相同的偏置和低通濾波電路，將分流器的高端和低端信號(hào)路由到 ADC 采樣器。MCU 中的 SAR ADC 雖只有一個(gè)實(shí)例，但有多個(gè)直接和多路復(fù)用采樣器，支持同時(shí)空閑采樣和硬件偽差分后處理操作，能在數(shù)字域去除共模噪聲，簡(jiǎn)化高低端信號(hào)布線，適用于低成本兩層 PCB 設(shè)計(jì)。其高性能可編程模擬子系統(tǒng)（HPPASS）具備多項(xiàng)特性，能為電機(jī)電流檢測(cè)提供良好的降噪性能。與單端方法相比電流重構(gòu)的改進(jìn)：對(duì)比了單采樣器檢測(cè)高端信號(hào)、偽差分配置下兩個(gè)采樣器檢測(cè)以及傳統(tǒng)運(yùn)算放大器電流檢測(cè)的電機(jī)電流波形。結(jié)果顯示，偽差分和外部運(yùn)算放大器方法都有良好的噪聲抑制性能，偽差分方法能有效去除噪聲，得到更干凈的正弦波信號(hào)。友好的開發(fā)體驗(yàn)
Tateosian表示，通用且友好的軟件和開發(fā)環(huán)境是MCU是否成功的重要關(guān)鍵之一。ModusToolbox是PSOC全面的軟件生態(tài)系統(tǒng)和開發(fā)平臺(tái)，具有GUI圖形界面，豐富的軟硬件開發(fā)工具以及文檔，支持從開發(fā)到調(diào)試的所有功能。同時(shí)，英飛凌還針對(duì)特定應(yīng)用，提供開發(fā)參考，比如針對(duì)電機(jī)控制，為開發(fā)者提供一系列電機(jī)控制庫(kù)Motor Suit，開發(fā)者可以以此為起點(diǎn)進(jìn)行開發(fā)。值得一提的是，Motor Suite中還包括一個(gè)電機(jī)調(diào)節(jié)GUI，無(wú)需修改C代碼，就可以更改各類參數(shù)并且直觀看到電機(jī)的運(yùn)行修改，非常適合電機(jī)的微調(diào)開發(fā)。另外，英飛凌還有廣泛的電機(jī)控制解決方案，包括功率器件、傳感器、XMC MCU等等，這些都可以找到相應(yīng)的開發(fā)板和評(píng)估工具，并且與Modus Toolbox無(wú)縫集成。Tateosian說(shuō)道：“英飛凌堅(jiān)信要將開發(fā)者置于產(chǎn)品核心，這意味著我們要考慮開發(fā)者的體驗(yàn)，思考如何更快將產(chǎn)品推向市場(chǎng)，并在不同項(xiàng)目中盡可能復(fù)用開發(fā)成果。”
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