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高算力GD32G5系列MCU如何引领数字能源、电机控制与光通信的变革

电子工程专辑 · 公众号 · · 2024-12-30 13:48

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不论是蓬勃兴起的数字能源、不断拓展应用边界的电机控制，还是极速发展的光通信，这些领域正在经历一场与大数据分析、云计算和人工智能(AI)等前沿技术深度融合的变革。这一融合不仅推动了技术边界的大规模扩展，也引发了对智能化解决方案需求的迅猛增长。

面对这些行业日益复杂的挑战，MCU成为了破局的关键。MCU不仅是实现系统智能化的核心组件，还在提升能效、优化性能和保障安全性方面发挥了不可或缺的作用。通过集成先进的算法和功能模块，MCU能够实时响应并处理复杂的数据，确保各个系统在高效、稳定的状态下运行。兆易创新推出的GD32G5系列高性能MCU，以其强大的算力、丰富的外设和全面的安全机制，为应对这些挑战提供了坚实的技术支持，助力各行业实现效能优化、性能提升及稳定运作。

高性能、高安全MCU是三大领域应用的关键

结合了IoT、大数据分析、云计算和AI等前沿技术的数字能源系统，致力于提高能效、减少浪费并促进可再生能源的整合。在这个生态系统中，MCU通过精确监控电力参数，如电压、电流等，并实时调整系统设置，确保系统高效运行。此外，MCU支持多种通信协议，实现设备间的无缝数据交换，推动分布式能源资源的有效集成。

对于电机控制而言，现代MCU集成了PWM控制、高速ADC等功能，简化了系统的设计，减少了外部组件的需求。此外，MCU还能够实时处理复杂的控制算法，确保电机在各种负载条件下都能平稳运行，从而提高了整体性能。

在光通信领域，MCU的作用同样不可忽视。特别是在光模块中，MCU负责实时监控温度、电压、电流和光功率等关键参数，确保光模块稳定工作。同时，MCU支持远程管理和诊断功能，提升了网络的运维效率和安全性。

为了应对这三个领域对高性能MCU日益增长的需求，兆易创新推出了GD32G5系列高性能MCU。该系列最大的特点就是应用强大的算力，采用Arm® Cortex®-M33内核，主频高达216MHz，内置高级DSP硬件加速器和单精度浮点单元(FPU)，以及硬件三角函数加速器(TMU)和支持多类硬件加速单元。这些特性大幅提升了数据处理速度和复杂运算能力。

存储资源也是决定MCU表现的关键。GD32G5系列MCU配备了256KB到512KB嵌入式Flash，支持Flash双Bank功能，以及128KB SRAM，还配备了高速缓存空间，进一步提升内核处理性能。

外设集成度上，GD32G5系列同样表现出色，内置了丰富的接口和功能模块，以适应多样化的应用场景。尤其值得一提的是其全面的安全机制，包括安全的空中下载(OTA)更新、安全启动、安全调试及安全升级等功能，为通信过程中的数据完整性与安全性提供了坚实的保障。GD32G5产品系列支持IEC 61508 SIL2功能安全标准，提供完整的Safety Package，包括Safety Manual、FMEDA和自检库等，助力工业应用更安全可靠。

数字能源效能优化的核心

在数字能源领域，功率控制是MCU的一个关键应用方向。在这一领域，GD32G5系列MCU展现出了显著的优势，特别是在以下两项关键技术上：

首先是发波控制。以该系列的GD32G553为例，其具有的高精度定时器(HRTIM)支持16位16通道，可以满足多种复杂拓扑结构;此外，它还支持10个外部事件输入和8个故障输入通道，可配合实现多种拓扑结构的灵活发波模式。

第二是精确感测。GD32G553支持4个12位ADC采样速率高达5.3MSPS，具备高达42个通道，能够高效地采集和处理多种传感器的信号。同时，GD32G553还具有快速系统保护和辅助发波功能。其配备8个CMP(比较器)，传播延时仅15.8ns，0-63mV的可编程迟滞，能够快速响应故障输入或外部事件。此外，GD32G553还具有4个1Msps/15Msps的12位DAC，最多可支持8通道，可配合HRTIM实现斜坡补偿等功能。

图1 3.5kW直流充电方案拓扑

兆易创新以GD32G553为核心构建了两个应用方案。首先是3.5kW直流充电方案，其使用单颗GD32G553系列MCU，控制两级高效率的开关电源拓扑，包括前级单相图腾柱PFC和后级全桥LLC。该方案的输入电压为220V(±10%)/50Hz，输入电流最大有效值17A;输出电压为250VDC~450VDC，支持涓流、恒流和恒压充电模式;PFC开关频率70kHz，LLC开关频率94kHz~300kHz。

该方案实现系统峰值效率96.2%，PF为0.999，THD为2.7%。在满载恒流充电下，系统效率95.6%，PF为0.999，THD为2.5%。为了确保系统安全和可靠性，该方案配备了多种软、硬件保护功能，包括OCP、SCP、OVP、OTP、CBC、DESAT等系统保护。

图2 便携式双向储能逆变方案拓扑

另一个是基于GD32G5系列/GD32E5系列的便携式双向储能逆变方案，能够实现离网放电和并网充电功能。该方案通过两颗GD32G5系列MCU/GD32E5系列MCU控制三级架构(LLC + Buck/Boost + 逆变/PFC)，确保了系统的高效性和稳定性。其LLC的开关频率为100kHz，Boost/Buck和逆变/PFC部分的开关频率均为20kHz;内部比较器实现了过流和过压保护，减少了对外部硬件电路的依赖，简化了系统设计;采用的ADC倍频采样技术能够实现更精确的平均电流控制，其过压、过流和过温保护机制则确保了系统在各种工作条件下的安全运行。

助力电机控制性能与效率双提升

上至小家电，下至电动汽车，电机的应用无处不在。而电机控制对MCU的要求极为严格，包括高效处理能力、精确的实时控制和丰富的外设接口。具体而言，MCU需要支持快速且精确的PWM信号生成以确保电机运转平滑，配备高分辨率ADC进行电流与电压的实时监测，并拥有充足的存储空间以运行复杂的控制算法。此外，集成的安全机制和多样的通信接口对于保障系统的稳定性和连接性至关重要。

GD32G553凭借其卓越的配置完美应对了这些挑战。首先，该MCU的算力有了显著提升，能够更高效地处理复杂的电机控制算法。其次，它提供了丰富的片上资源，包括四个12位ADC、8个比较器以及1个高性能数字滤波器(HPDF)，后者支持8通道/4滤波器配置，可外接Σ-Δ调制器，可用于变频器、低端伺服里面外接调制器。最后，GD32G553配备了三个16位高级定时器，支持8通道/4对互补模式，适用于控制两相四线步进电机;其复合模式支持单电阻采样和母线电力两次采样，实现了步进电机快慢衰减混合模式的精准控制，进一步增强了电机控制的灵活性和效率。

高算力GD32G5系列MCU如何引领数字能源、电机控制与光通信的变革

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