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作為一名電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)的準(zhǔn)研究生，以濃厚的興趣為驅(qū)動(dòng)，成為了一位熱衷于DIY創(chuàng)作的動(dòng)手能手。長(zhǎng)期活躍于各類電氣控制比賽，酷愛(ài)鉆研前沿技術(shù)，并沉浸于從方案構(gòu)思、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)到調(diào)試驗(yàn)收的全過(guò)程，享受將創(chuàng)意化為現(xiàn)實(shí)的成就感。

前 言

在國(guó)產(chǎn)MCU日益發(fā)展的當(dāng)下，作者通過(guò)視頻宣傳，群友推薦等渠道了解到了先楫半導(dǎo)體（HPMicro）,也通過(guò)HPM出售的各種EVK（6750EVKMini、5300EVK、6E00EVK等）體驗(yàn)過(guò)HPM帶來(lái)的高性能體驗(yàn)；不過(guò)，限于EVK的設(shè)計(jì)目的，部分引腳被板上的外設(shè)占用，所以作者決定以HPM最近發(fā)布的HPM6P00系列為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一款電力電子方向的開(kāi)發(fā)板 盡管6P00的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)精心設(shè)計(jì)，性能優(yōu)異，但是我仍然選擇了四開(kāi)關(guān)BuckBoost（也稱同相BuckBoost）作為開(kāi)發(fā)板的主體功能，這是因?yàn)樽髡咴源俗鳛楫厴I(yè)設(shè)計(jì)題目，進(jìn)行過(guò)一定研究，預(yù)計(jì)可以減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的謬誤，且硬件閉環(huán)等功能經(jīng)過(guò)恰當(dāng)配置也許可以應(yīng)用于本項(xiàng)目。

拓?fù)浜?jiǎn)介

四開(kāi)關(guān)BuckBoost變換器，是一種兼具升降壓能力的非隔離DCDC變換器，通過(guò)不同的開(kāi)關(guān)組合導(dǎo)通控制實(shí)現(xiàn)電

壓變換，根據(jù)設(shè)計(jì)不同具有多種控制模式，在輸入輸出變化時(shí)能夠平順過(guò)渡切換，同時(shí)保持較高效率。

HPM6P00簡(jiǎn)介

HPM6P00系列保持了HPM系列MCU一貫的高性能設(shè)計(jì)，最高可支持雙核600MHz，對(duì)于主打的運(yùn)動(dòng)控制也是下足本事，配備的100ps分辨率的PWM與2Msps 16bit的ADC是實(shí)現(xiàn)精確控制的基礎(chǔ)，還有硬件閉環(huán)、硬件邏輯、各種

編碼器接口與數(shù)字接口也對(duì)電機(jī)控制等應(yīng)用能提供巨大便利。

預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)

硬件：原理圖設(shè)計(jì)

PM提供了KiCad符號(hào)與封裝庫(kù)，故本項(xiàng)目基于KiCad設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)HPM Pin Mux Tool是在線引腳/時(shí)鐘配置工具，能有效加速原理圖設(shè)計(jì)和程序開(kāi)發(fā)，還具有賬號(hào)登錄在線保存，分享碼共享工程的功能，非常方便。PinMuxTool以函數(shù)為單位，通過(guò)創(chuàng)建不同的函數(shù)，并在其中配置引腳的復(fù)用功能來(lái)生成對(duì)應(yīng)的初始化代碼。

從下圖可以看到HPM的PinOut還是一如既往的整齊，單個(gè)外設(shè)的功能引腳分組往往都是就近引出，有利于PCB繪制的布線。

MCU部分

* 電 源

HPM的電源域在設(shè)計(jì)時(shí)需要提供內(nèi)核電壓（VDD_SOC）、IO電壓（VDD_IO）、模擬域電壓（VANA）、模擬參考電壓（VREFH、VREFL），并為片內(nèi)LDO提供外部去耦電容。

各電源輸入輸出串接了磁珠，與去耦電容形成低通濾波，提高電源質(zhì)量，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)不同電源域接入了不同名稱的地網(wǎng)絡(luò)，但在根頁(yè)對(duì)不同地網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了短接，如有切割地平面需求，可以方便修改。

在設(shè)計(jì)時(shí)主要參考了數(shù)據(jù)手冊(cè)及HPM6P00EVK原理圖。

MCU各電源域

每個(gè)VIO引腳放置一個(gè)100nF去耦電容。

* 時(shí)鐘與復(fù)位

6P00系列對(duì)時(shí)鐘頻率有固定要求，需要24MHz的外部晶振或50%占空比的24MHz固定時(shí)鐘用以驅(qū)動(dòng)內(nèi)部PLL產(chǎn)生各模塊所需的頻率。

復(fù)位引腳連接到按鍵與JTAG接口，通過(guò)RC電路實(shí)現(xiàn)上拉+消抖功能。

對(duì)于MCU的BOOT0與BOOT1，6P00EVK中未做上下拉處理，此處相同。

*JTAG

JTAG引腳為PA4~PA7，連接了適當(dāng)?shù)慕K端電阻與上下拉電阻，通過(guò)20p簡(jiǎn)易牛角座連接到外部調(diào)試器。

輔助電源

開(kāi)發(fā)板輔助電源分為四級(jí)，其中LM5164原理圖通過(guò)TI提供的Power Designer工具設(shè)計(jì)，其他DCDC、LDO電路均為典型用法或簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，在此不作過(guò)多闡述。

部分輔助電源原理圖：

功率電路

參考設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算功率電感和輸入/輸出電容容值：

如上條件在Buck模式下電感最小取值應(yīng)為2.016μH

如上條件在Boost模式下電感最小取值應(yīng)為2.4μH

綜合考慮紋波電流與電感感量，在實(shí)際中應(yīng)視負(fù)載情況選用2.2~10μH范圍的功率電感，在本項(xiàng)目中，根據(jù)計(jì)算條件選擇CoilCraft的VER2923系列中10μH的功率電感，該系列具有低DCR與高Isat，且適當(dāng)提高的感量能降低ΔIL，能夠滿足本項(xiàng)目設(shè)計(jì)指標(biāo)之需求。

* 輸入/輸出電容

Buck模式輸出電容計(jì)算公式：

Boost模式輸出電容計(jì)算公式：

各取其最大值發(fā)現(xiàn)均為20μF左右，考慮到后續(xù)設(shè)計(jì)冗余和可能的變頻需求，將輸入輸出電容定位兩顆100μF電解電容+一顆1μF MLCC電容并聯(lián)。

功率電路原理圖

驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路由UCC27211A半橋驅(qū)動(dòng)和電荷泵供電電路組成。

選擇UCC27211A主要是看中其無(wú)輸入互鎖，能夠發(fā)揮PWMv2外設(shè)的死區(qū)功能，具有強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)推挽電流（4.5A/3.7A），和較低的傳播延遲，且封裝與2EDL8024G等高性能柵極驅(qū)動(dòng)通用，便于探索不同的選型搭配。在半橋驅(qū)動(dòng)的輸入串接了終端電阻，用以提升信號(hào)匹配程度，優(yōu)化PWM信號(hào)邊沿。

電荷泵供電電路讓兩側(cè)上管在四開(kāi)關(guān)的純Buck和純Boost模式下具有長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)通能力，能夠簡(jiǎn)化控制模型，避免在特定情況下產(chǎn)生額外的開(kāi)關(guān)損耗。通過(guò)兩顆UCC27517提供PWM，與開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)形成電荷泵，輸出兩倍開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓以保證上管（Q1 Q3）始終獲得足夠的Vgs。考慮到電荷泵電壓可能過(guò)高，在其輸出串接了限流電阻和穩(wěn)壓管保護(hù)Vgs不超過(guò)額定值。

電荷泵PWM由PWM2外設(shè)提供控制信號(hào)，可以通過(guò)互補(bǔ)、移相等手段讓兩個(gè)PWM源交替發(fā)波，降低瞬時(shí)電流需求；與此同時(shí)還接入了MCU控制的使能引腳，可以在不需要電荷泵供電時(shí)停止其運(yùn)行，降低板上耗電，略微提高效率。

采樣電路

開(kāi)發(fā)板上共有四路模擬信號(hào)供ADC采樣，每路ADC均在管腳較近處放置了RC電路，對(duì)于SAR-ADC，緊貼管腳的RC電路是必須的，因?yàn)槠鋬?nèi)部采樣電容在開(kāi)啟瞬間會(huì)造成外部電壓跌落，如果沒(méi)有RC中的C提供足夠的電容補(bǔ)償?shù)洌瑢?huì)導(dǎo)致采樣結(jié)果波動(dòng)極大，而RC中的R是防止跌落的電壓信號(hào)反沖到前級(jí)運(yùn)放造成震蕩，RC共同構(gòu)成了SAR-ADC前級(jí)的一部分，而不只是低通濾波器。

采樣管腳前的RC電路

* 電流采樣

采樣電阻如前文圖示串接在開(kāi)關(guān)橋臂到濾波電容之間，能夠等效采集電感電流，且兩側(cè)電壓受到電容約束，能

夠保證共模躍變電壓符合采樣放大器（INA241）要求，提高電流采樣可靠性。

考慮到設(shè)計(jì)指標(biāo)的20A電流輸出能力、封裝熱耗散功率和采樣放大器提供的放大倍數(shù)，采樣電阻選用了1mΩ 5W 2725/2726封裝的錳銅電阻，采樣放大器采用了1.1MHz小信號(hào)帶寬、50V/V增益的INA241A3，盡可能提高了電流采樣的模擬帶寬以適配500kHz的較高開(kāi)關(guān)頻率。

此版本的遺憾之處是未引出片上比較器，如果將電流信號(hào)與DAC信號(hào)共同輸入比較器，配合TRGM、PWM等外設(shè)可以實(shí)現(xiàn)硬件峰值電流模式控制，而此處僅實(shí)現(xiàn)了平均電流模式控制。

* 電流采樣

在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，由于是電流電壓雙環(huán)設(shè)計(jì)，所以電壓采樣的跟隨器不需太高性能，所以電壓采樣選擇SGM8551作為ADC前級(jí)跟隨器，此運(yùn)放的特點(diǎn)是典型12μV的失調(diào)電壓，盡管slew rate較低，但仍具有足夠的帶寬（1.48MHz）。

采樣電路原理圖

接口電路

開(kāi)發(fā)板的接口電路不是開(kāi)發(fā)板重點(diǎn)內(nèi)容，因此僅做簡(jiǎn)單介紹。

* USB接口

USB HS是HPM所有MCU的標(biāo)配，配合易于移植使用的cherryUSB例程，能夠便捷實(shí)現(xiàn)USB CDC等功能，可以編

寫配套的上位機(jī)共同調(diào)試運(yùn)行，在本項(xiàng)目中提供了USB Type-B和Type-C接口，主要看重了B口的堅(jiān)固耐用和C口的便利性，不過(guò)在作者實(shí)際調(diào)試中已經(jīng)考慮將B口換為A口。VBUS被連接到MCU的對(duì)應(yīng)管腳，供USB外設(shè)使用。

作者還放置了ESD陣列用于保護(hù)可能與之相連的PC。

* CAN/485接口

兩個(gè)總線接口在繪制PCB時(shí)位于整板右側(cè)，SY8089提供的3.3V不便穿過(guò)，所以為其單獨(dú)設(shè)置了ME6206為485PHY和CAN PHY的VIO提供3.3V電壓。

對(duì)于總線側(cè)，在信號(hào)進(jìn)入兩個(gè)PHY之前需經(jīng)過(guò)ESD二極管、共模電感、終端電阻、對(duì)地的濾波電容，能夠盡可能

保證通信可靠性。

*SMA接口（TRGM）

開(kāi)發(fā)板上具備兩個(gè)SMA接口，用于收/發(fā)TRGM信號(hào)，該接口可用于示波器采樣同步或多板間并聯(lián)同步信號(hào)，具體用法多樣，可以根據(jù)實(shí)際情況配置TRGM開(kāi)發(fā)使用。

由于TRGM信號(hào)多為窄脈沖，單個(gè)脈寬可能僅有5e-8秒，因此屬于高速信號(hào)，在原理圖中為其設(shè)置了匹配電阻，需要根據(jù)實(shí)際使用時(shí)的收發(fā)角色設(shè)置來(lái)焊接不同的電阻，同時(shí)在PCB設(shè)計(jì)中考慮其阻抗匹配。

雜 項(xiàng)

板載的IIC設(shè)備均掛載在同一條總線，經(jīng)計(jì)算使用2K上拉能夠滿足1Mbps總線速率對(duì)上升沿的要求。

結(jié) 語(yǔ)

本章基于HPM6P00的豐富外設(shè)與高性能特性，剖析了四開(kāi)關(guān)BuckBoost開(kāi)發(fā)板的硬件設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。從寬范圍輸入/輸出電壓的功率拓?fù)溥x型，到電源管理、驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路及各類接口的原理圖設(shè)計(jì)和關(guān)鍵器件選型，在設(shè)計(jì)層面保證了系統(tǒng)在12~75V、20A電流、高達(dá)500 kHz開(kāi)關(guān)頻率下的運(yùn)行。通過(guò)合理的采樣濾波和保護(hù)電路，本開(kāi)發(fā)板已具備實(shí)現(xiàn)良好的性能指標(biāo)的硬件條件及可擴(kuò)展性，為后續(xù)PCB布局優(yōu)化與固件功能開(kāi)發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

下一章將著重介紹 PCB 版面設(shè)計(jì)與布線策略，以進(jìn)一步提升整板的電氣性能與可靠性。