先楫HPM5300驅(qū)動設(shè)計，交錯式buck-boost

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有著10年AE/FAE工作經(jīng)驗，既是一個喜歡與客戶交流探討的人，也是一個內(nèi)向愛好專研技術(shù)的人。

Buck-Boost簡介

Buck-boost是一種非隔離變換器，可以將電源的電壓轉(zhuǎn)換為較高或較低的電壓輸出。它采用開關(guān)控制原理，通過周期性地切換電感和電容的連接方式，改變電感儲能和釋放能量的時間比例來實現(xiàn)電壓升降。

Buck-boost優(yōu)點：

● 可逆性好，控制簡單。

● 轉(zhuǎn)換效率高。

● 控制精度高，輸出穩(wěn)定性好。

● 電路驅(qū)動成本低。

Buck-boost應(yīng)用

● 非隔離式的電池充放電，例如儲能型微逆、分布式光伏（如下圖）。

● 低壓的高效非隔離升壓或降壓電路。

● 為降低電源紋波，多選用多路交錯式結(jié)構(gòu)。

Buck工作模式

當(dāng)直流母線側(cè)給電池充電時降壓輸出，工作在buck模式。

根據(jù)流過電感L的電流情況(連續(xù)或斷續(xù))，Buck變換器常規(guī)三種工作模式：

● CCM(Continuous Coduction Mode)

● DCM(Discontinuous Conducton Mode)

● BCM(Boundary Conducton Mode)

數(shù)字電源中主要以CCM為主，本應(yīng)用重點講述CCM控制實現(xiàn)。輸出電壓：

這里D為PWM占空比。

（ Buck變換器CCM工作波形）

當(dāng)電池向直流母線放電時升壓輸出，工作在boost模式。

數(shù)字電源中主要以CCM為主，本應(yīng)用重點講述CCM控制實現(xiàn)。輸出電壓：

這里D為PWM占空比。

（ Boost變換器CCM工作波形 ）

交錯式Buck-Boost工作特點

交錯式buck-boost電路是一種多路并聯(lián)的升降壓轉(zhuǎn)換器，利用多個相同的電路模塊，通過交錯控制方式實現(xiàn)高效率、低紋波、大功率輸出的升降壓轉(zhuǎn)換。本應(yīng)用選用了兩相交錯模式，相位角為180°。

Buck-Boost應(yīng)用要求

●buck和boost工作模式的主功率管可以通過軟件切換，對應(yīng)死區(qū)控制也根據(jù)工作模式切換。

● 為了提高效率，buck-boost電路中續(xù)流功率管在續(xù)流狀態(tài)時，需要打開功率管；同時在續(xù)流電路減小至零點前需要關(guān)閉功率管，防止電流反向。

● 由硬件完成監(jiān)控續(xù)流電流并實現(xiàn)續(xù)流功率管快速關(guān)閉。

● PWM中有效輸出狀態(tài)有跨越PWM周期的情況，針對該應(yīng)用，PWM輸出應(yīng)不受計數(shù)器重載影響。

● 選用PWM中心對齊模式，優(yōu)化EMC和電路采樣精度。

PWM輸出波形

Buck-boost配置框圖

整個驅(qū)動中用到了PWM、TRGM、ACMP、PLB等功能模塊。

外設(shè)配置

PWM配置

●兩路PWM選擇中心對齊模式，其中通道0的中心點為周期/2，通道1的中心點為周期結(jié)束點。

●通道0的主功率管和續(xù)流功率管由兩個PWM輸出分別控制。

● buck和boost模式不同，通道0中的主功率開關(guān)對應(yīng)PWM直接輸出通道根據(jù)模式可以在PWM0和PWM1直接切換，PWM工作模式為中心對齊模式。

●通道0中的續(xù)流功率管通過PWM8輸出互聯(lián)管理器，在PLB中與ACMP組合產(chǎn)生最終PWM信號。

●通道1的PWM輸出有跨越周期問題，PWM工作模式為邊沿輸出，由PWM9-PWM12輸出至PLB后，根據(jù)信號重構(gòu)PWM。

模擬比較器ACMP

● HPM5300包含2個模擬比較器。ACMP可以對兩個模擬電壓輸入 (同相端INP) 和反相端 (INN) 進(jìn)行比較，并輸出比較結(jié)果。

● ACMP支持內(nèi)部8位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC，支持外部模擬信號與內(nèi)部 DAC 生成的參考信號進(jìn)行比較。

ACMP配置

● ACMP是用于偵測兩通道buck-boost輸出電流大小。

●反饋電流信號輸入作為反相端輸入，內(nèi)置DAC作為同相端輸入。當(dāng)反饋電流信號過小時，ACMP輸出高電平，關(guān)閉續(xù)流功率管的PWM信號。

●考慮到開關(guān)時干擾，ACMP的回差都設(shè)置為最高。

互聯(lián)管理器TRGM

●互聯(lián)管理器TRGM支持電機控制單元內(nèi)外各個設(shè)備的信號間互通互聯(lián)，可以把片上各個外設(shè)整合起來，實現(xiàn)外設(shè)間相互同步，相互配合。

●互聯(lián)管理器支持多個輸入，輸入來自于IO，電機控制單元內(nèi)外的各個外設(shè)。

●互聯(lián)管理器支持管理電機控制單元內(nèi)外設(shè)的DMA請求、位置輸入切換等。

TRGM配置

● PWM8輸入信號的為電平信號。

● ACMP0、ACMP1輸入信號為電平信號。

● PWM9、PWM10、PWM11、PWM12為重構(gòu)PWM信號，輸入信號是上升沿有效。

● PLB的OUT0輸出是與ACMP0組合后的PWM輸出信號，同時配置給TRGM_IO0和TRGM_IO1，由具體應(yīng)用確定pimmux中配置。

PLB的主要特性：

●包含兩種可編程類型：TYPE_A為4輸入、4輸出的查找表，TYPE_B包含4輸入、邏輯處理單元用于時序控制。

● HPM5300中包含4個TYPE_A和4個TYPE_B。

●本應(yīng)用使用了4個TYPE_A。

TYPE_A0、TYPE_A1綜合PWM和ACMP

●包含3個輸入、2個輸出，其中，3個輸入為ACMP輸出、自鎖信號、PWM電平信號，2個輸出為自鎖信號、續(xù)流功率管驅(qū)動信號。

●輸出自鎖信號為ACMP輸出的鎖存信號，即一旦ACMP在PWM有效時間內(nèi)出現(xiàn)有效信號將一直鎖定，直至PWM信號無效時解除。

●續(xù)流功率管輸出信號由PWM與輸出自鎖組合實現(xiàn)。

● TYPE_A由查找表實現(xiàn)，需通過真值表完成邏輯配置見下圖。

TYPE_A2、TYPE_A3邏輯說明

● PWM中心對齊的模式下要求：STA

● TYPE_A2包含4個輸入、1個輸出，4個輸入為PWM前沿輸出、PWM后沿輸出、PWM互補前沿輸出、自鎖信號，1個輸出為自鎖信號。

●輸出自鎖信號在PWM前沿輸入后自鎖，在PWM后沿輸入解鎖。其中，PWM互補前沿輸入的用于一個通道的兩個功率管驅(qū)動信號之間的互鎖。

TYPE_A特點

●每個TYPE A通道有四個trig_in, 四個trig_out

●每個trig_out對應(yīng)一個查找表LUT

●可通過sw_inject將輸出注入到trig_out

●注入保持一個時鐘周期

TYPE_A配置

● SDK中plb_type_a_inject_by_sw()函數(shù)完成軟件注入，實現(xiàn)初始化輸出。

● LUT查找表邏輯賦值函數(shù)為plb_type_a_set_lut()，可以配置不同通道和不同查找表，達(dá)到邏輯輸出功能。

占空比更新

●為了減少CPU的占用，程序?qū)WM中比較器CMP0-CMP7的數(shù)據(jù)存儲于高速RAM中，PWM_DMA_struct.PWM_cmp_mirror[0]-PWM_DMA_struct.PWM_cmp_mirror[7]。通過DMA更新PWM寄存器，限于篇幅限制，本文不再贅述。

●由于PWM沒有配置成互補輸出模式，需要軟件實現(xiàn)死區(qū)配置，其中前后沿的死區(qū)為單獨參數(shù)，可以配置不同的數(shù)值，PWM_DMA_struct.Front_Dead、PWM_DMA_struct.Post_Dead。此外，例程中包含了占空比限幅，如果在前期計算時占空比時已經(jīng)對占空比限幅，可以忽略相應(yīng)限幅處理。

●浮點運算中需在浮點常數(shù)后面加f，否則會增加定點轉(zhuǎn)浮點運算。

●例程選用的是硬交錯方案，即兩路輸出的中心點強制相差180°。但外設(shè)配置同樣支持軟交錯方案，需修改占空比函數(shù)。

輸出波形

buck模式下波形輸出

buck模式下ACMP動作后波形輸出

boost模式下波形輸出

boost模式下ACMP動作后波形輸出

小結(jié)

● 該操作方法實現(xiàn)了硬件快速續(xù)流控制功能，集成度高且閾值數(shù)字可控，優(yōu)化成本和面積。

●結(jié)合PLB功能，令buck-boost模式切合更加自由。

● PWM模塊與PLB結(jié)合，可以輕松克服單時基PWM模塊實現(xiàn)跨周期輸出問題，該功能同樣適用于單PWM模塊的移相控制。

●兩相交錯輸出，減少紋波，增加EMC能力。

●強大的DMA功能，減少了讀取外設(shè)寄存器的時間，并通過硬件觸發(fā)省去了CPU對寄存器賦值時間。

● HPM5300系列高性價比MCU，運算速度快，在數(shù)字電源控制中更加自如。