基于恩智浦DSC数字控制器的隔离双向DCDC参考设计方案

NXP管管

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。

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。

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。

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。

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。

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。

以上简单介绍了恩智浦基于DSC数字控制器的隔离双向DCDC参考设计方案。想要了解更多DSC数字控制器相关信息，欢迎访问NXP官网http‍s://www.nxp.com/dsc。

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