基于恩智浦DSC數字控制器的隔離雙向DCDC參考設計方案

在典型的電池充放電應用場景中，隔離雙向DCDC變換器用于實現電池充電曲線控制和電池母線間的雙向電能變換，同時實現電網和電池間的電氣隔離。

本文簡要介紹基于DSC的隔離雙向DCDC變換器參考設計。該方案拓撲為CLLC諧振變換器，可在全負載范圍實現軟開關。主控芯片采用DSC MC56F83783數字信號控制器，幫助實現靈活高效的數字電源控制。

方案概括

■ 基于CLLC諧振變換器實現高效的雙向電能變換

■ 高壓端口電壓：370-390V，低壓端口電壓：40-60V，額定功率800W

■ 充電模式峰值效率高于96%，放電模式峰值效率高于97%

■ 開關頻率范圍：100-180kHz，諧振頻率：150kHz

■ 高精度PWM幫助實現精準的開關電源控制

■ 基于DSC特色外設的有源同步整流控制策略

■ 變頻+移相+打嗝模式的混合調制策略，優化變換器在寬電壓范圍應用場景中的效率

■ 基于RTCESL實現2P2Z控制器，在幫助變換器實現更佳動態特性的同時，提高代碼運行效率

■ 在充電模式下，實現變換器的恒壓/恒流輸出控制

■ 模塊化的功率母板和控制子卡，便于客戶評估不同系列DSC

■ 基于FreeMASTER實現變換器的工作模式控制和工作狀態觀測

■ 過流、過欠壓和過溫保護功能

同步整流策略

該方案中同步整流通過檢測整流管漏源極電壓實現。由于電流流過整流管溝道時的壓降遠小于整流管體二極管壓降，因此通過判斷漏源極電壓值大小，便可確定同步整流管的開關狀態。

同步整流主要基于DSC片上外設（CMP，EVTG，QTMR，PWM，XBAR）實現，僅需少量外部器件。CMP為DSC內部集成的帶窗口功能的比較器，VR為CMP內部DAC產生的電壓基準信號。CMP用于檢測整流管漏源極電壓，其輸出用于產生同步整流驅動信號。

該方案中應用兩種策略，以提高同步整流的可靠性。一方面，同步驅動信號vS6由比較器輸出vcmp和PWM輸出vS2_D經過“與”運算獲得，從而避免潛在震蕩引起的整流橋臂直通問題；另一方面，在vcmp翻轉后，QTMR將輸出一段低電平信號，低電平持續時間可通過配置QTMR調節。QTMR輸出信號稱為“窗口信號”，通過XBAR連接至CMP。在窗口信號為低電平時，即使vB存在較大電壓震蕩，多次穿越VR值，vcmp不會翻轉，從而避免同步驅動信號的誤動作。窗口信號為低電平的時段稱為消隱時間。

在該應用中，EVTG用于實現片上信號間的邏輯運算，XBAR用于片上信號互聯。

調制策略

變頻調制（PFM）為諧振變換器主流調制策略，通過改變諧振腔阻抗調節變換器電壓增益。但是，當開關頻率大于諧振頻率時，隨著開關頻率提高，電壓增益緩慢降低。在寬電壓范圍應用中，僅采用變頻調制將導致開關頻率范圍很寬，因此不利于磁性元件的設計。

移相調制（PSM）通過改變諧振腔輸入電壓脈寬調節變換器增益。當變頻調制無法快速調節變換器電壓增益時，調制策略由變頻調制切換為移相調制，可在減小開關頻率范圍的同時，實現寬電壓范圍的電能變換。

在空載或負載很輕的工況下，打嗝模式可幫助實現變換器輸出電壓穩壓。另外，當變換器工作在打嗝模式時，其等效開關頻率降低，因此輕載效率得以優化。

變換器當前調制策略由控制器輸出值決定。DSC片上的PWM模塊可方便實現PFM和PSM模式間的平滑切換。

軟起動策略

CLLC諧振變換器的軟起動由開環階段和閉環階段構成。在開環階段，開關頻率保持為軟起動階段最高開關頻率。通過移相調制，等效占空比Dφ由設定初始值，按照固定的步長逐漸增大，直到Dφ等于0.5，移相調制切換為變頻調制。進入變頻調制后，Dφ保持為0.5，開關頻率按照設定步長逐漸減小，直至輸出端口電壓達到開環軟起動門限電壓，至此開環階段結束。進入閉環階段后，輸出端口電壓值已接近電壓基準，經過電壓控制環路調節，輸出端口電壓快速穩定在電壓基準值，軟起動結束。

實驗結果

下圖為隔離雙向DCDC變換器硬件平臺。控制子卡HVP-56F83783和功率母板采用子母卡形式，通過金手指連接。該設計方便用戶根據自身需求，評估不同系列的DSC產品。

下圖為變換器工作在充電模式和放電模式時的效率曲線，分別對應低壓端口電壓為40V/50V/60V三種工況。

以上簡單介紹了恩智浦基于DSC數字控制器的隔離雙向DCDC參考設計方案。