關(guān)于Level 3混合動(dòng)力汽車電池充電器設(shè)計(jì)方案詳解

德州儀器（TI）公司的Level 3電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車電池充電器采用數(shù)字功率控制器、通信器件、高性能驅(qū)動(dòng)器以及接口器件。Level 3充電器包括從AC產(chǎn)生DC電壓的帶PFC的AC/DC轉(zhuǎn)換器，DC/DC轉(zhuǎn)換器，其核心器件是實(shí)時(shí)C2000系列MCU。

插入式混合電動(dòng)車（PHEV）和電池電動(dòng)車（BEV）是兩種正在日益興起的技術(shù)，它們采用強(qiáng)大的電機(jī)和高壓電池組作為動(dòng)力和能量源。由于電池具有一個(gè)確定的能量性能，因此PHEV和BEV必須周期性的進(jìn)行補(bǔ)充，一般是通過(guò)連接電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充。這樣做的時(shí)候，一些形式的通信（PLC，無(wú)線或RFID）可能被用于管理充電活動(dòng)并幫助對(duì)車輛或車主進(jìn)行認(rèn)證，從而進(jìn)行計(jì)費(fèi)。Level 3充電在公共充電領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用，以降低充電時(shí)間，并使用戶可以從充電過(guò)程中更多的受益。

針對(duì)汽車的Level 3充電系統(tǒng)包括一個(gè)AC/DC轉(zhuǎn)換器，用于從一個(gè)AC線生成一個(gè)DC電壓。即將充入的電量將需要進(jìn)行功率因數(shù)校正（PFC）以提升功率因數(shù)，從而滿足地區(qū)性的規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)。在反極器的中心是一個(gè)實(shí)時(shí)C2000微控制器。這個(gè)控制器經(jīng)過(guò)編程為控制回路實(shí)現(xiàn)所需的電源管理功能，包括采用PCF的AC/DC和DC/DC，從而為電池創(chuàng)建所需的元素。C2000控制器包括先進(jìn)的外設(shè)，如高精度PWM輸出和ADC，其設(shè)計(jì)用于讀取ADC并在一個(gè)單獨(dú)的時(shí)鐘循環(huán)內(nèi)調(diào)節(jié)PWM，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。

圖1 DK-LM3S9B96開(kāi)發(fā)板方框圖

由于C2000管理著電源，因此主機(jī)控制器有責(zé)任采用通信模塊所提供的信息和感應(yīng)的溫度來(lái)驅(qū)動(dòng)與板上電池組的直接通信。充電狀態(tài)所需要的信息會(huì)傳送到功率控制器，重要的充電診斷和電池狀態(tài)將發(fā)送到Level 3充電系統(tǒng)的顯示器。

出于安全方面的考慮，在處理器與電源和電壓之間，以及通信總線與外部環(huán)境之間需要進(jìn)行隔離處理。TI的數(shù)字隔離器具有由TI二氧化硅（SiO2）隔離阻障分隔開(kāi)的邏輯輸入和輸出緩沖器，提供了4kV的隔離電壓。在與隔離的電源聯(lián)合應(yīng)用時(shí)，這些器件阻隔了高電壓，隔離接地電壓并防止了噪聲電流進(jìn)入地面，影響和破壞敏感型的電路。高性能模擬部件可用于提供重要的系統(tǒng)功能，如MOSFET驅(qū)動(dòng)器、感應(yīng)器反饋、芯片電源和通信收發(fā)器。

簡(jiǎn)易系統(tǒng)上的通信可以通過(guò)一個(gè)單獨(dú)的處理器進(jìn)行控制。像Level 3充電系統(tǒng)這樣、更多的具有復(fù)雜顯示器和線性計(jì)帳/報(bào)告功能的系統(tǒng)可能都需要第二個(gè)控制器。采用的一個(gè)低頻NarrowBand PLC （LF NB PLC）解決方案在帶寬、功率和成本要求方面提供了一個(gè)較好的配置。在窄帶域（頻率高達(dá)500kHz）運(yùn)行保證了數(shù)據(jù)的完整性，同時(shí)使系統(tǒng)成本降低。這樣一來(lái)，這一標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)權(quán)衡現(xiàn)有的電源線架構(gòu)，并提供了一個(gè)集成智能監(jiān)視的高性價(jià)比方式，并對(duì)新的汽車系統(tǒng)進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)率可以根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，在1.2kbps至上百kbps間變化。在plcSUITE 資源庫(kù)中提供了TI的PLC軟件，并使用戶可以在一種設(shè)計(jì)中支持?jǐn)?shù)種調(diào)制和標(biāo)準(zhǔn)。開(kāi)發(fā)者可以在一個(gè)單獨(dú)的設(shè)計(jì)中執(zhí)行SFSK ICE61334，PRIME和G3標(biāo)準(zhǔn)以及FlexOFDM標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)OFDM的定制化，并對(duì)于即將推出的標(biāo)準(zhǔn)具有適用性。另外，可能需要將無(wú)線通信和/或RFID用作為第二通信協(xié)議及認(rèn)證和計(jì)費(fèi)的方式。

Stellaris LM3S2000系列，設(shè)計(jì)用于控制器局域網(wǎng)（CAN）應(yīng)用，利用Bosch CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（這是短程工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的黃金標(biāo)準(zhǔn)）拓展了Stellaris系列。它的推出標(biāo)志是采用革命性ARM Cortex-M3內(nèi)核的CAN性能的首次集成。另外，幾款LM3S2000系列MCU也編輯在存儲(chǔ)器ROM的StellarisWare軟件特性中。

TI將32位性能和ARM Cortex-M3內(nèi)核微控制器的所有優(yōu)勢(shì)滲透到微控制器高場(chǎng)的方方面面。對(duì)于目前的8位和16位MCU用戶而言，采用Cortex-M3內(nèi)核的Stellaris系列提供了對(duì)于強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)具系統(tǒng)、軟件和行業(yè)知識(shí)的直徑訪問(wèn)路徑。那些將更換使用Stellaris的設(shè)計(jì)者將獲益于大量的工具、小代碼占位空間和出色的必能。而且更為重要的是，設(shè)計(jì)者可以在對(duì)$1~1GHz的兼容發(fā)展路線圖充滿信心的基礎(chǔ)上進(jìn)行ARM子系統(tǒng)。對(duì)于目前32位MCU的用戶而言，Stellaris系列提供了采用Cortex-M3和Thumb-2指令集的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品。通過(guò)極為快速的響應(yīng)，Thumb-2技術(shù)整合了16位和32位指令，以提供代碼密度和性能方面的良好平衡。Thumb-2與32位代碼相比，所有存儲(chǔ)器降低了26%，卻提供了高出25%的性能。德州儀器Stellaris系列微控制器是ARM Cortex-M3內(nèi)核微控制器，將高性能的32位計(jì)算帶入到了成本敏感型的嵌入式微控制器應(yīng)用中。這些開(kāi)創(chuàng)性的產(chǎn)品讓客戶可以通過(guò)相當(dāng)于之前8位和16位器件的價(jià)格實(shí)現(xiàn)32位的性能，所采用的都是一個(gè)小引腳的封裝。

LM3S2B93微控制器特性

LM3S2B93 MCU主要特性：

• ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核

– 80-MHz工作頻率：100 DMIPS性能

– ARM Cortex SysTick計(jì)時(shí)器

–嵌套式適量中斷控制器 （NVIC）

•片上存儲(chǔ)器

–最高達(dá)50 MHz 的256 kB 單循環(huán)閃存；預(yù)取緩沖器將性能提高至50MHz 以上

– 96kB單循環(huán)SRAM

–內(nèi)部ROM，載有StellarisWare軟件

• Stellaris外設(shè)驅(qū)動(dòng)器資料庫(kù)

• Stellaris啟動(dòng)加載器

•高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）密碼使用表

•循環(huán)冗余碼校驗(yàn) （CRC）錯(cuò)誤檢測(cè)功能

•外部外設(shè)接口 （EPI）

–適用于外部外設(shè)的8/16/32位專用型平型總線

–支持SDRAM， SRAM/閃存，F(xiàn)PGAs，CPLDs

•先進(jìn)的串行集成

–兩個(gè)CAN 2.0 A/B控制器

–三個(gè)UART，具有IrDA和ISO 7816支持（一個(gè)具有解調(diào)器控制和狀態(tài)的UART）

–兩個(gè)I2C模塊

–兩個(gè)同步串行接口模塊（SSI）

–集成型芯片音頻（I2S） 模塊

•系統(tǒng)集成

–直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)控制器（DMA）

–包括片上高精度16MHz振蕩器的系統(tǒng)控制和時(shí)鐘

–四個(gè)32位計(jì)時(shí)器（最高8個(gè)16位）

– 8個(gè)捕捉比較PWM引腳（CCP）

–低功耗電池包休眠模塊

–休眠模塊中的實(shí)時(shí)時(shí)鐘

–兩個(gè)看門狗計(jì)時(shí)器

•一個(gè)脫離主振蕩器的計(jì)時(shí)器

•一個(gè)脫離高精度內(nèi)部振蕩器的計(jì)時(shí)器

–最高67 GPIO，取決于具體配置

•高度靈活的引腳結(jié)合，允許采用 GPIO或多種外設(shè)功能中的一種

•獨(dú)立的可配置為2mA、4mA或8mA驅(qū)動(dòng)性能

•最高4個(gè)GPIO可以具有18 mA的電流驅(qū)動(dòng)性能

•先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制

–八個(gè)高級(jí)PWM輸出，適用于運(yùn)動(dòng)和能源應(yīng)用

–四個(gè)故障輸出，可推進(jìn)低延遲關(guān)斷

–兩個(gè)積分編碼器輸入 （QEI）

•模擬

圖2 DK-LM3S9B96開(kāi)發(fā)板PCB頂層元件布局圖

–兩個(gè)10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），具有16個(gè)模擬輸入通道和每秒百萬(wàn)樣品的采樣率

–三個(gè)模擬比較器

–16個(gè)數(shù)字比較器

–片上穩(wěn)壓器

• JTAG和ARM串行線調(diào)試（SWD）

• 100引腳 LQFP封裝

• 108-球BGA封裝

•工業(yè) （-40℃~85℃） 溫度范圍

LM3S2B93微控制器面向工業(yè)應(yīng)用，包括遠(yuǎn)程監(jiān)視、電子銷售點(diǎn)設(shè)備、測(cè)試測(cè)量設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和開(kāi)關(guān)、工廠自動(dòng)化、HVAC和樓宇控制、游戲機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制、傳輸、防火和安全等。

對(duì)于要求較大功率轉(zhuǎn)換的應(yīng)用，LM3S2B93微控制器具有用于電池的休眠模塊，可以將LM3S2B93在不活動(dòng)期間的功率有效降低到低功率狀態(tài)。利用上電/掉電時(shí)序器，持續(xù)的時(shí)間計(jì)數(shù)器（RTC），一對(duì)匹配寄存器，一個(gè)面向系統(tǒng)總線的APB接口和專用的非易失性存儲(chǔ)器，休眠模塊使得LM3S2B93微控制器完全適用于電池應(yīng)用。

另外，LM3S2B93微控制器提供的很多ARM的優(yōu)勢(shì)廣泛適用于開(kāi)發(fā)工具，系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）架構(gòu)IP應(yīng)用和大的用戶社區(qū)。

另外，微控制器采用ARM的Thumb兼容型Thumb-2指令集，以降低存儲(chǔ)器的要求，進(jìn)而降低成本。LM3S2B93微控制器與擴(kuò)展型的Stellaris系列中的所有產(chǎn)品都兼容；提供了靈活性以滿足客戶的高精度的要求。

其中各元件如下：

• R1復(fù)位上拉電阻器

• C1復(fù)位輸入濾波電容器

• C3 LDO調(diào)節(jié)器濾波電容器

• C2，C4-C6，C11 VDD去耦電容器

• C7，C18 VDDC去耦電容器

• C12-C17晶體負(fù)載電容器

• Y1以太網(wǎng)晶體

• Y2主振蕩器晶體

• Y3休眠模塊晶體

• R3以太網(wǎng)RBIAS電阻器

• R2休眠振蕩器電阻器

• R5 USB RBIAS

• R4 MDIO上拉電阻器

Stellaris LM3S9B96開(kāi)發(fā)板

Stellaris LM3S9B96開(kāi)發(fā)板提供了一個(gè)平臺(tái)用于開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，具有LM3S9B96 ARM Cortex-M3內(nèi)核微控制器的性能。

LM3S9B96是Stellaris Tempest-class微控制器系列的成員。Stellaris Tempest-class器件所具有的性能包括80 MHz的時(shí)鐘速度，一個(gè)外部外設(shè)接口（EPI）和音頻I2S接口。除了具有新的硬件支持這些特性外，DK-LM3S9B96板包括Stellaris板有具有的豐富的外設(shè)集。

開(kāi)發(fā)板包括一個(gè)板上在電路調(diào)試接口（ICDI），支持JTAG和SWD兩種調(diào)試。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的ARM 20引腳調(diào)試頭支持一個(gè)陣列的調(diào)試解決方案。

Stellaris LM3S9B96開(kāi)發(fā)套件加速了Tempest-class微控制器的開(kāi)發(fā)。套件還包括更多的示例應(yīng)用和完整的資源代碼。

Stellaris LM3S9B96開(kāi)發(fā)板主要特性：

•簡(jiǎn)易的設(shè)置——USB線提供調(diào)試、通信和功率

•具有多種外設(shè)的靈活開(kāi)發(fā)平臺(tái)

•彩色LCD圖片顯示器

– TFT LCD模塊，具有320×240的分辨率

–電阻性觸摸界面

• 80 MHz LM3S9B96微控制器，帶有256k Flash，96k SRAM，和集成型MAC+PHY，USB OTG和CAN通信

– 8 MB SDRAM （插入式 EPI 選項(xiàng)板）

– EPI break-out板 （可選插板）

• 1 MB串行閃存

•高精度3.00 V 基準(zhǔn)電壓

•微控器ROM中的SAFERTOS操作系統(tǒng)

• I2S立體聲音頻編解碼器

–線性輸入/輸出

–耳機(jī)輸出

•控制器局域網(wǎng) （CAN）接口

• 10/100 以太網(wǎng)

• USB On-The-Go （OTG）連接器

•器件，主機(jī)和OTG模式

•用戶 LED和按鈕

•指輪分壓計(jì) （可用于菜單導(dǎo)航）

• MicroSD卡插槽

•支持廣泛的調(diào)試選項(xiàng)

–集成型在電路調(diào)試接口 （ICDI）

–完全支持 JTAG、SWD和 SWO

–標(biāo)準(zhǔn)的ARM 20-pin JTAG調(diào)試連接器

• USB實(shí)體COM端口

•跳線分流器可方便的再分配I/O資源

•采用支持Keil RealView微控制器開(kāi)發(fā)套件（MDK-ARM）的工具、IAR嵌入式工作平臺(tái)、編碼資源GCC開(kāi)發(fā)工具、紅色代碼技術(shù)開(kāi)發(fā)工具或TI代碼編譯器Studio IDE

•由StellarisWare軟件進(jìn)行支持，包括圖片庫(kù)，USB庫(kù)和外設(shè)驅(qū)動(dòng)器庫(kù)。

•可選的擴(kuò)展板，與外部外設(shè)接口（EPI） DK-LM3S9B96開(kāi)發(fā)板共同工作，擴(kuò) 展了這個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)（單獨(dú)售賣）的性能

– Stellaris 閃存和SRAM存儲(chǔ)器擴(kuò)展板 （DK-LM3S9B96-FS8） （單獨(dú)售賣）

• 提供閃存，SRAM和提升性能的LCD接口

– Stellaris FPGA擴(kuò)展板（DK-LM3S9B96-FPGA） （單獨(dú)售賣）

•提供Stellaris微控制器的機(jī)對(duì)機(jī)（M2M）、高帶寬、并行接口性能

•使用戶可以在DK-LM3S9B96開(kāi)發(fā)板的3.5”觸屏上控制和顯示FPGA 擴(kuò)展板的視頻。了解DK-LM3S9B96-FPGA的更多信息。

– Stellaris EM2 擴(kuò)展板 （DK- LM3S9B96-EM2）

•提供了Stellaris外部外設(shè)接口（EPI）連接器和RF評(píng)估模塊（EM）連接器 之間的傳輸

•可以利用Stellaris DK-LM3S9B96平臺(tái)上的低功耗RF和RF ID評(píng)估模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線應(yīng)用開(kāi)發(fā)