海思面向数字电源应用的MCU产品Hi3071

自开关电源诞生以来，功率密度的提升一直是开关电源设备不断演进的方向之一。

近年来，随着大型AI处理器芯片的迅猛发展，单颗GPU的功耗已超过1kW,供电电流甚至达到1000A+级别,这不仅给板载电源的设计带来巨大挑战,也将传统PSU功率不断推高至新的水平。AI计算数据中心引发的功率恐慌迫使业内重新优化整体供电架构，以进一步提升效率降低损耗。

为了节省宝贵的空间，电源转换器必须具备更高的功率密度。第三代宽禁带半导体功率器件GaN和SiC MOSFET由于具有极低的开关损耗使得大幅提升开关频率成为了可能，结合新的拓扑，电源转换器可在高频运行下仍然获得优异的效率表现。

而这一切却为数字电源控制器带来了新的挑战，新的拓扑需要更复杂的控制逻辑，更高的开关频率意味着更快的实时性计算要求，第三代宽禁带半导体器件的采用意味着MCU需要承受更高水平的传导和辐射电子干扰。

上海海思新一代面向数字电源应用的MCU产品Hi3071正是为了应对这些挑战，以满足当前高功率密度电源的创新设计需求。其主核采用成熟的高性能Cortex-M7内核，带有超标量双发射6级流水线，从容应对并行任务。除了4KB的指令缓存I-Cache和数据缓存D-Cache外，Hi3071还具备64KB的指令紧耦合内存I-TCM和64KB的数据紧耦合内存D-TCM，可大幅提升程序运行速度，满足开关电源环路控制实时性需求。

随着开关电源进入MHz时代，数字控制器的环路计算时间已要求小于1us。

Hi3071提供3路独立的硬化环路控制单元，每路均独立配备高速内置误差采样ADC和硬件PID滤波控制单元，ADC采样速率高达15.6MSPS，可提供400ns数字PID控制环路更新能力。灵活的3路独立硬化环路可以方便地配置为电压外环、电流内环、三环取小或双环取小以实现常见的电流型控制、电压型控制或充电电路的恒压恒流控制。

为提升动态响应能力，Hi3071还支持一路硬件滤波环路配置为前馈模式，同时支持多达7组可配置PID参数和PID参数的区间动态平滑切换，可实现四开关Buck-Boost不同模式间的真正自动平滑切换。硬化环路工作模式仅需配置相关寄存器即可，能大大节省软件编程工作量，缩短产品开发到上市时间。

开关频率的提高还会带来另一个挑战，PWM分辨率与输出电压精度之间的失配，即电源控制中的极限环振荡问题。

Hi3071提供6组共12路高精度PWM输出，分辨能力可达125ps，轻松满足MHz高开关频率下脉冲宽度调制和脉冲频率调制的精度要求。

多组PWM之间支持内部同步或与外部信号同步，可实现多相控制时的错位移相发波功能，缓存寄存器与多种加载模式结合，可确保PWM波形在复杂电磁干扰环境下的稳定输出。精心打造的高精度PWM模块可以灵活适应常见的Buck, Boost, Buck-Boost, PSFB, LLC等多种定频或变频控制拓扑。

一个可靠的电源设备必须在面对各种输入输出故障时能迅速作出响应以保障器件在安全范围内持续工作，而逐波限流CBC是目前大多数电源采取的过载限流保护措施。

Hi3071支持多种硬件信号源或软件触发fault信号以启动CBC，针对fault信号提供了可编程计时或计数滤波功能，还提供了具有创新特色的CBC封波match功能，即当主开关管发生故障而斩波时，可对从开关管进行同等宽度斩波，保证主、从开关管即使发生故障封波也能具有同等大小的脉冲宽度。

该封波match功能还支持主从固定和主从切换模式，在主从切换模式下，先发生fault砍波即变为主，另一个则自动跟随砍波和缓展。该功能可以进一步提升电源设备进入CBC时的可靠性，防止磁性器件电流因施加非对称伏秒波形而累计增长过大导致关断损耗过高异常发热等情形。

针对系统开关机、故障保护的复杂发波逻辑及同步整流死区时间自适应调整的需求，Hi3071还提供了6路小型可配置逻辑单元（configurable logic cell），每路CLC模块支持4组输入，每组输入为8选1通道，输入信号包含数字比较器输出、模拟比较器输出、PWM输出和其他CLC模块输出信号，最终实现这些信号的灵活逻辑组合输出和时序控制，可节省外部逻辑器件或CPLD的使用，满足客户的创新需求。

电源设备的工作空间本来就电磁干扰严重，随着开关频率的提升和第三代宽禁带半导体器件碳化硅、氮化镓MOSFET的采用，功率器件开关节点的dv/dt有着数量级的提升。

上海海思依托多年在电源控制芯片领域的深厚积累，从设计层面就加强Hi3071对ESD、瞬变电脉冲、浪涌、传导和辐射电磁骚扰的防护能力，pin脚端口HBM ESD 超过±2000V，闩锁触发电流超过±100mA，内部采用金线键合以提供更好的电气性能及抗弯折性，封装采用超低α粒子ULA材料以降低存储器的单粒子翻转错误发生率，减少客户外围防护器件的使用成本，提升电源系统的健壮性和可靠性。

Hi3071凭借硬件PID环路和Cortex-M7内核的灵活结合，再加上为高性能电源量身定制的高精度PWM、可配置逻辑单元、CBC封波匹配功能、集成高精度运放等元素，可出色地支持目前常见的图腾PFC、交错LLC、移相全桥、Buck-Boost和Hybrid Switched Capacitor等拓扑，可作为服务器电源、工业定制电源、砖模块电源和中间母线转换电源的平台性控制器。