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G4驾到,数字电源控制器恐将告别DSP时代

时间:2019-07-01 作者:邵乐峰 阅读:
此番STM32G4系列采用了“MCU+DSP”架构,这是否意味着未来的数字电源控制器技术将发生重大改变?

2018年底,意法半导体(ST)在其STM32产品家族中新增了STM32G0系列微控制器。此举向外界释放出了一个很明确的信号——STM32 MCU从“F”系列到“G”系列的主流型系列升级之旅,已经全面开启。未来,越来越多“G”字辈新微控制器系列的涌现,将不是一件令人感到意外的事件。p8lEETC-电子工程专辑

果然,半年之后,STM32G4系列来了。p8lEETC-电子工程专辑

新人新气象

ST官方将G4系列定位于“主流型MCU”系列,可视为STM32F3/STM32F1的升级之作,但又保持了高度兼容性。在产品设计上弥补了前者的性能和外设资源上的不足,以适应细分市场发展需要的同时,又让开发者有机会将以前的设计平滑过渡到新一代MCU平台上,从而在电机控制、工业设备、仪器与测量、高端消费类产品、数字电源(高频数字开关电源、功率因数补偿)等领域帮助用户实现差异化的性能和更高的开发效率。p8lEETC-电子工程专辑

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STM32G4系列基于170MHz Arm Cortex-M4高速内核打造,具有浮点单元和DSP扩展指令集支持功能,性能测试成绩213DMIPS和550CoreMark。之所以不采用Cortex-M33内核,意法半导体微控制器事业部微控制器产品经理、数字电源及电机控制市场经理Jean-Marc Mathieu给出的解释是M33虽然具备更强的安全性,但成本会比M4更高,而且所有的内核、总线、外设、连接都要支持Arm TrustZone架构,考虑到设计的复杂度和上市时间,ST方面决定还是继续沿用M4内核。p8lEETC-电子工程专辑

Jean-Marc Mathieu 4.JPG.jpgp8lEETC-电子工程专辑

意法半导体微控制器事业部微控制器产品经理、数字电源及电机控制市场经理Jean-Marc Mathieup8lEETC-电子工程专辑

值得一提的是,除了继续保留此前使用过的用来提升存储器-高速缓存动态和静态访存性能的ART加速器和关键程序加速(CCM-SRAM)之外,STM32G4系列还首次引入了两个新的硬件数学加速器:滤波算法加速器(Filter-Math Accelerator, FMAC)和坐标旋转数字计算(CORDIC)专用引擎,计算效率相比Arm内核高出至少3倍。例如电机控制应用中的旋转和矢量三角法,以及一般的对数、双曲线和指数函数、信号调理IIR/FIR滤波算法或数字电源3p/3z控制器,以及卷积和相关函数等矢量函数。此外,这种减负方法还可以让内核释放更多的资源,用于接收更多的传感数据和控制其它用户功能。p8lEETC-电子工程专辑

引入如此多加速器的目的肯定是希望提升系统级性能。但Jean-Marc Mathieu认为,系统级性能不仅仅取决于CPU的运算速度和指令处理效率,也和外设息息相关。因此STM32G4系列在模拟外设方面最多集成了25颗芯片,包括一个具备12个独立通道,每个通道分辨率184ps,有温漂和电压漂移自补偿功能的高分辨率定时器;5个16位分辨率,有硬件过采样功能的400万次/秒12位模数转换器(ADC);6个高速、高增益带宽运算放大器,内部1%增益设定可实现;7个1500万次/秒12位数模转换器(DAC);以及7个传播延迟为16.7ns的比较器。p8lEETC-电子工程专辑

为了使开发人员能够应对最新的网络安全挑战,G4系列设计了可扩展的安全存储区域用于存放密钥等敏感信息,并提供AES-256加密引擎、唯一设备ID码和硬件随机数生成器(TRNG)。此外,双Bank Flash机制也是创新,用户可以在一个Bank上运行已经加载的应用程序,在另一个Bank上在线加载新版本固件程序,当升级加载完成后,只要设置一个寄存器就可以实现瞬间切换这两个Bank间的地址,从而实现在线固件升级。p8lEETC-电子工程专辑

运行模式下,G4系列具备160μA/MHz的动态能效,虽然比不上STM32低功耗产品线,但相对上一代STM32F3仍提升了2.7倍,且比传统DSP产品有至少两倍以上的提升。这在数字电源应用场景中极为关键,因为要实现95%甚至98%以上的转换效率,数字器件上的能耗损失就不能被忽略。p8lEETC-电子工程专辑

ST将G4系列计划的152款产品分为三大产品线:高精度PWM型STM32G474、性能型STM32G473和入门型STM32G431。STM32G474和STM32G473产品间唯一的区别就是有无高精度定时器。而入门级的STM32G4x1在性能方面并不低于前两者,只是模拟外设方面会有些精简。 p8lEETC-电子工程专辑

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为了辅助应用开发,STM32开发生态系统新增了支持STM32G4 MCU的Nucleo开发板、评估板和STM32CubeG4软件包。此外,还有一套电机控制专用的开发板和软件开发套件,以及专为高精度定时器的使用方法量身定做的使用手册-AN4539,详细介绍了高精度定时器针对不同数字电源拓扑结构的使用和配置方法。p8lEETC-电子工程专辑

助力数字化电源转换

众所周知,传统的数字电源控制器大多采用“DSP+模拟”架构,而此番STM32G4系列采用了“MCU+DSP”架构,这是否意味着未来的数字电源控制器技术将发生重大改变?Jean-Marc Mathieu的观点是,在“DSP+模拟”架构中,用户使用的主要是DSP厂商的私有内核,相对比较封闭,资源都掌控在DSP厂商手中,但实际上用户更愿意使用arm通用内核,此为其一;其二,随着工艺和性能的提升,目前MCU内核所具备的DSP性能已经不输于传统DSP器件,整体功耗表现可能还会更好。如果数字电源转换效率想达到95-98%,那么设计者就不得不考虑核心控制器系统的能耗;其三,数字电源用户在设计产品时,用到的产品不仅仅只有电源控制器,还包括人机界面等许多方面,如果还停留在传统DSP的使用上,设计人员就必须为其单独保留一套开发环境和相应的工程师团队。但如果切换到Arm生态系统中,就可以在所有不同项目开发中使用同样的工具、开发环境和使用习惯,这点非常重要。p8lEETC-电子工程专辑

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其实早在2014年,ST就发布了面向数字电源市场的第一款产品STM32F334,但Jean-Marc Mathieu说那时ST是数字电源主控市场的新来者,实力还不足以撼动已经形成垄断之势的DSP产品。随后的5年时间内,ST首先花费了3年时间收集客户反馈,接着又花费了2年时间设计一个新的IP,直到STM32G4的诞生。p8lEETC-电子工程专辑

随着STM32G4系列的发布,STM32产品线实现了数字电源市场高中低应用的全覆盖。其中STM32F334采用Cortex-M4内核,配置HRTIMer(全功能高精度定时器)v1数字及模拟部分,精度达到217ps,主要服务低端应用;STM32H743采用Cortex-M7内核,计算能力更强,配置配置HRTIMer v1仅数字部分,精度2ns,主要服务高端应用;STM32G4系列是STM32F3的延续,可以满足中端市场的应用。p8lEETC-电子工程专辑

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意法半导体中国区微控制器产品市场经理彭祖年p8lEETC-电子工程专辑

但意法半导体中国区微控制器产品市场经理彭祖年强调称,数字电源是一个统称,不同的功率和拓扑对相关资源的需求肯定不同,因此G4系列的推出并不意味着对STMF334系列的全盘取代,只是做了相应提升,以便覆盖更复杂的数字电源应用场景。p8lEETC-电子工程专辑

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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