基于恩智浦DSC数字控制器的隔离双向DCDC参考设计方案

Release time：2024-08-14
author：AMEYA360
source：恩智浦
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　　在典型的电池充放电应用场景中，隔离双向DCDC变换器用于实现电池充电曲线控制和电池母线间的双向电能变换，同时实现电网和电池间的电气隔离。

基于恩智浦DSC数字控制器的隔离双向DCDC参考设计方案

　　本文简要介绍基于DSC的隔离双向DCDC变换器参考设计。该方案拓扑为CLLC谐振变换器，可在全负载范围实现软开关。主控芯片采用DSC MC56F83783数字信号控制器，帮助实现灵活高效的数字电源控制。

基于恩智浦DSC数字控制器的隔离双向DCDC参考设计方案

　　方案概括

　　基于CLLC谐振变换器实现高效的双向电能变换

　　高压端口电压：370-390V，低压端口电压：40-60V，额定功率800W

　　充电模式峰值效率高于96%，放电模式峰值效率高于97%

　　开关频率范围：100-180kHz，谐振频率：150kHz

　　高精度PWM帮助实现精准的开关电源控制

　　基于DSC特色外设的有源同步整流控制策略

　　变频+移相+打嗝模式的混合调制策略，优化变换器在宽电压范围应用场景中的效率

　　基于RTCESL实现2P2Z控制器，在帮助变换器实现更佳动态特性的同时，提高代码运行效率

　　在充电模式下，实现变换器的恒压/恒流输出控制

　　模块化的功率母板和控制子卡，便于客户评估不同系列DSC

　　基于FreeMASTER实现变换器的工作模式控制和工作状态观测

　　过流、过欠压和过温保护功能

　　同步整流策略该方案中同步整流通过检测整流管漏源极电压实现。由于电流流过整流管沟道时的压降远小于整流管体二极管压降，因此通过判断漏源极电压值大小，便可确定同步整流管的开关状态。

　　同步整流主要基于DSC片上外设(CMP，EVTG，QTMR，PWM，XBAR)实现，仅需少量外部器件。CMP为DSC内部集成的带窗口功能的比较器，VR为CMP内部DAC产生的电压基准信号。CMP用于检测整流管漏源极电压，其输出用于产生同步整流驱动信号。

基于恩智浦DSC数字控制器的隔离双向DCDC参考设计方案

　　该方案中应用两种策略，以提高同步整流的可靠性。一方面，同步驱动信号vS6由比较器输出vcmp和PWM输出vS2_D经过“与”运算获得，从而避免潜在震荡引起的整流桥臂直通问题;另一方面，在vcmp翻转后，QTMR将输出一段低电平信号，低电平持续时间可通过配置QTMR调节。QTMR输出信号称为“窗口信号”，通过XBAR连接至CMP。在窗口信号为低电平时，即使vB存在较大电压震荡，多次穿越VR值，vcmp不会翻转，从而避免同步驱动信号的误动作。窗口信号为低电平的时段称为消隐时间。

　　在该应用中，EVTG用于实现片上信号间的逻辑运算，XBAR用于片上信号互联。

基于恩智浦DSC数字控制器的隔离双向DCDC参考设计方案

　　调制策略变频调制(PFM)为谐振变换器主流调制策略，通过改变谐振腔阻抗调节变换器电压增益。但是，当开关频率大于谐振频率时，随着开关频率提高，电压增益缓慢降低。在宽电压范围应用中，仅采用变频调制将导致开关频率范围很宽，因此不利于磁性元件的设计。

　　移相调制(PSM)通过改变谐振腔输入电压脉宽调节变换器增益。当变频调制无法快速调节变换器电压增益时，调制策略由变频调制切换为移相调制，可在减小开关频率范围的同时，实现宽电压范围的电能变换。

　　在空载或负载很轻的工况下，打嗝模式可帮助实现变换器输出电压稳压。另外，当变换器工作在打嗝模式时，其等效开关频率降低，因此轻载效率得以优化。

　　变换器当前调制策略由控制器输出值决定。DSC片上的PWM模块可方便实现PFM和PSM模式间的平滑切换。

　　软起动策略CLLC谐振变换器的软起动由开环阶段和闭环阶段构成。在开环阶段，开关频率保持为软起动阶段最高开关频率。通过移相调制，等效占空比Dφ由设定初始值，按照固定的步长逐渐增大，直到Dφ等于0.5，移相调制切换为变频调制。进入变频调制后，Dφ保持为0.5，开关频率按照设定步长逐渐减小，直至输出端口电压达到开环软起动门限电压，至此开环阶段结束。进入闭环阶段后，输出端口电压值已接近电压基准，经过电压控制环路调节，输出端口电压快速稳定在电压基准值，软起动结束。

　　实验结果下图为隔离双向DCDC变换器硬件平台。控制子卡HVP-56F83783和功率母板采用子母卡形式，通过金手指连接。该设计方便用户根据自身需求，评估不同系列的DSC产品。

基于恩智浦DSC数字控制器的隔离双向DCDC参考设计方案

　　下图为变换器工作在充电模式和放电模式时的效率曲线，分别对应低压端口电压为40V/50V/60V三种工况。

基于恩智浦DSC数字控制器的隔离双向DCDC参考设计方案

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恩智浦x亿境虚拟：推进AI眼镜创新，实现语音唤醒与续航突破
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　　新闻提要　　亿境虚拟采用恩智浦i.MX RT685跨界MCU，推动具有极致低功耗和强大音频处理性能的多场景“Voice Always on”智能体验。　　恩智浦半导体宣布，深圳市亿境虚拟现实技术有限公司(简称“亿境虚拟”)在其新一代 AI 眼镜解决方案SW3021中采用恩智浦i.MX RT685跨界MCU，实现了极致低功耗与强大音频处理能力的平衡。　　这一优势不仅成就了AI眼镜的超长续航能力，更带来了即时响应与“随时唤醒”(“Voice Always On”)的流畅体验，让用户在全天候应用场景中畅享便捷与智能的可穿戴设备。　　当前，智能硬件与人工智能应用不断融合，端侧多模态交互、即时响应、持续感知等需求爆发。AI眼镜作为新一代智能终端，有望掀起多元人机交互的新浪潮。　　眼镜重量、佩戴舒适性和电池续航能力是AI眼镜面临的主要挑战，而语音唤醒是AI眼镜应用中最高频次、最长使用时间的场景，也是决定设备电池续航的关键。　　恩智浦i.MX RT685跨界MCU在芯片设计层面应用了多项低功耗技术，实现常开模式下低主频运行功耗和静态功耗，为多场景应用下的超常续航和随时唤醒提供了保障。　　作为音频协处理器，i.MX RT685最大主频600MHz的HiFi4处理器可以支持绝大多数的降噪，强大的语音与音频处理能力可确保音频处理的高效与稳定。同时，作为AI眼镜的主控制器可以最大规模减少外围电源器件的数量和电池体积，从而使眼镜重量控制在30g以内。　　“恩智浦半导体大中华区销售副总裁钱志军表示：“AI眼镜正成为VR/AR行业的领先增长点，有望开启人机交互革命的崭新篇章。恩智浦始终致力于以先进的技术赋能新兴行业，我们很高兴能够携手亿境虚拟，将领先的低功耗MCU应用于轻量化AI眼镜解决方案中。恩智浦将持续与更多的生态伙伴共同探索边缘智能新范式，以新用例推动生态创新，支持中国创新力量引领全球智能未来。”　　亿境虚拟总经理石庆表示：“亿境虚拟始终致力于构建一个‘让前沿科技更平易近人’的AI智能眼镜世界，助力每个人享受人工智能带来的便捷与乐趣。我们非常荣幸与恩智浦展开合作，将跨界MCU融入AI智能眼镜解决方案之中。依托恩智浦的领先技术，并结合亿境虚拟在智能穿戴领域超过十年的行业积累，我们成功实现了低功耗的‘Voice Always On’功能。双方将共同推动智能眼镜行业向更高效、更可靠的人工智能应用迈进，从而开启智能未来的全新可能。”
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创新I3C总线赋能：恩智浦为人形机器人打造高性能
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创新I3C总线赋能：恩智浦为人形机器人打造高性能"灵巧手"

　　近年来人形机器人技术迎来爆发式增长，全球科技巨头和中国本土企业都在加速升级迭代人形机器人产品和相关技术，推动机器人在工业、物流、医疗、教育和家庭等领域的广泛应用。　　而在人形机器人系统中，灵巧手被认为是极为复杂、精密和关键的执行器，成为人形机器人技术演进的核心方向之一，它不仅需要具备高自由度的运动能力，还要实现对力和位置的精准控制，以模拟人手的操作行为。　　挑战：传统通信在分布式架构中的瓶颈　　在采用分布式电气架构的灵巧手设计之中，负责每个主动自由度的电机驱动，以及分布在每个手指的触觉传感器，需要通过UART或CAN接口与手掌中央主控MCU通信。主控MCU通过CAN、RS485、EtherCAT接口接入机器人本体系统总线。　　这种架构存在以下几处痛点，而这些痛点在一定程度上制约了灵巧手系统的性能提升、架构演进和轻量化小型化的发展：　　带宽限制：UART/CAN通信的波特率限制了控制环路获得更高的带宽。　　线束复杂：每个手指需独立布线，导致线束数量庞大，同时增加了组装难度与故障风险。　　PCB空间受限：多路通信接口会占用大量PCB面积，限制系统集成度。　　扩展性差：增加自由度或传感器数量时，现有通信架构难以灵活扩展。　　异步通信问题：UART/CAN为异步通信，MCU需外部晶振提供高精度时钟源，增加了硬件复杂度。　　解决方案：基于I3C总线的分布式通信架构　　恩智浦半导体中国应用工程师团队提出了基于I3C的灵巧手内部局部总线拓扑结构，革新了灵巧手内部通信方式。　　该架构采用i.MX RT1180作为机器人手掌主控MCU，采用MCX A132作为手指关节控制MCU，通过I3C总线连接多个伺服节点与触觉传感器，对外则通过EtherCAT、CAN、RS485连接到机器人系统总线。图1：基于I3C的灵巧手方案核心通信路径与模块分布框图　　I3C总线：为分布式通信架构带来诸多优势　　01 高速通信能力　　I3C总线标准速率高达12.5Mbps，优于UART和CAN2.0，且在特定条件下支持DDR模式，理论能够高达25Mbps，满足高分辨率传感器和实时控制的高带宽需求。　　02 简化布线与硬件设计　　I3C主机仅需两根线(SDA + SCL)即可挂接多个总线从设备，减少线束数量，提升灵巧手模块化装配效率;而且无需外部收发器和高精度晶振，可节省BOM成本与PCB空间。　　03 动态设备管理能力　　I3C支持动态地址分配，设备在启动时自动识别并获取动态地址，避免静态地址冲突。同时，I3C支持热插拔(Hot-Join)，单个手指模组可实现在通电状态下灵活替换。　　04 实时事件响应机制　　I3C支持带内中断(In-Band Interrupt)，设备可通过SDA线直接向主机发送紧急事件或故障信号，无需额外GPIO中断线，由此进一步简化线束并提升主机响应速度。　　05 可靠的信号完整性　　在高速驱动模式下，I3C采用Push-Pull推挽驱动模式，相比传统的I2C开漏方式可以极大地提升性能，显著提高信号完整性，有利于支持更长的传输距离并增强接插件连接的可靠性。　　值得一提的是，在这款人形机器人灵巧手方案中，恩智浦的多款MCU产品与I3C分布式总线架构无缝融合，相得益彰。　　i.MX RT1180作为手掌中央主控MCU，其主要的特性包括：　　双核架构(240MHz M33内核 + 800MHz M7内核)，提供高性能处理能力;　　集成2个I3C接口，可连接多个伺服节点与传感器;　　支持EtherCAT、CAN-FD、UART等多种工业通信协议接口;　　丰富的PWM、ADC、编码器接口，单芯片可以直驱多达8个无刷空心杯电机。　　图2：i.MX RT1180结构框图　　基于恩智浦MCX A132方案的机器人手指关节伺服节点和触觉传感器设计，其主要特性包括：　　小尺寸封装，适合手指模块嵌入;　　集成1个I3C接口，与主控实现高速通信;　　内置16-bit ADC，用于触觉传感器模拟信号的高质量采集;　　支持IEC 61508 SIL2功能安全自测库，满足未来人形机器人对功能安全的要求。MCX A132结构框图　　本文小结　　恩智浦团队希望通过创新性的I3C总线拓扑设计，推动灵巧手系统向更高集成度、更强性能、更广应用场景演进。同时恩智浦i.MX RT1180与MCX A132产品组合也为这一架构提供了坚实的硬件基础，助力人形机器人技术实现新突破。　　随着人形机器人在服务、医疗等领域的深入应用，恩智浦的I3C架构将为灵巧手提供更强大的通信支持与系统集成能力。
2025-09-28 17:30 reading：583
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