英飞凌新一代控制器XMC4000在三电平逆变器中的应用概要

1、英飞凌新一代控制器XMC4000在三电平逆变器中的应用-北京晶川电子SEP. 2012三电平逆变器控制策略三电平逆变器的控制策略主要是PWM控制技术所谓PWM技术，就是利用半导体器件的开通和关断,把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效地控制 和消除谐波的一种技术。目前常用PWM控制策略有：单脉冲控制方式多载波控制方式空间电压矢量（SVPWM控制方式三电平逆变器通常采用矢量控制技术和直接转矩控制技术三电平逆变器的中点电位平衡是影响逆变器可靠性的关键因素之一设计中需要机、电、热、磁及其相互的耦合英飞凌控制器XMC4000家族概况XMX4000家族主要资源XMC4000内核（C

2、ortex-M4主要特点Cortex-M4内核特点：RISC处理器:高性能32位CPU、运算能力可达1.25DMIPS/MHZThumb-2?指令集:16/32位指令的最佳混合 提供最佳代码密度低功耗模式：集成的睡眠状态、多电源域、基于架构的软件控制嵌套矢量中断控制器（NVIC:低延迟、低抖动中断响应、不需要汇编编程、以纯 C语言编写的中断服务例程。能完成出色的中断处理；工具和RTOS支持:广泛的第三方工具支持、Cortex微控制器软件接口标准（CMSIS、最大限度地增加软彳成果重用，缩短新产品的上市时间 调试和跟踪：包括JTAG和SWD模式、支持多处理器、实时跟踪ARM Cortex? -M

3、4高效的信号处理功能与低功耗、低成本和易于使用的优点组合，可满足电机控制、汽车、电源管理、嵌入式音频和工业自动化以及新兴市场等灵活应用。XMC4500产品的结构框架XMC4500产品的主要特性强大的运算能力Cortex-M4:32 位 CPU，工作频率 120MHz集成DSP指令集单精度浮点运算单元（FPU灵活的事件处理嵌套矢量中断控制器（NVIC事件请求处理单元（ERUDMA丰富的安全机制存储器保护单元（MPU灵活的CRC校验单元（FCEWDT片上存储器高达 1024KBytes Flash 4KB 程序缓存（ICache 64KByte PSRAM, 64KBytesDSRAM32KByt

4、es Communication RAMXMC4500产品的主要特性通信/人机交互单元以太网控制器3个通用串行单元（USIC MultiCAN （3个节点USB OTGLEDTS SDMMC 接口外部总线接口 （EBU模拟信号相关外设4核ADC、12位精度、28通道4通道Delta-Sigma解调器2路DAC、12位 精度驱动控制相关外设2 x CCU8 （捕获比较单元8 4 x CCU4（捕获比较单元4 2 x POSIF（位置信号接口 单元其他RTC Die Temperature Sensor （DTSE片仿真支持8个硬件断点，CoreSight, Trace支持 JTAG, SWD,单

5、线 Trace封装形式：PG-LFBGA-144, PG-LQFP-144, PG-LQFP-100 工作温度范围:-40C - 85 C , -40 C -125 C工作电压：3.2 - 3.6VXMC4500产品的关键特性DMA 及 USIC DMA两个专用DMA单元以太网，USB两个通用DMA单元12路DMA通道每通道均配置FIFO (8-32Byte,-支持 Burst Mode可编程通道优先级分散-收集模式(Scatter-GatherUSICIIS USIC 在 XMC4000 系可以软件灵活的配置为UART (LIN、SSC、IIC、 列中的新特性支持 Single/Dual/Q

6、uardSPI-支持最新的 Serial NAND Flash Serial NAND Flash?e.g. Spansion: S25FL032P支持最多8个片选信号生成一多个从设备访问-硬件自动根据配置选择片选信号XMC4500产品的关键特性驱动控制外设晶川电子驱动控制主要相关外设：多功能定时器CCU4 Capture Compare Unit 4 CCU8 Capture Compare Unit 8 POSIF 一位置 接口单元定时器：1个系统时钟（Cortex M4内核24位定时器，向下计数，自动重载CCU4每个CCU4模块包含4路16位多功能定时器CCU8每个CCU8模块包含4路1

7、6位多功能定时器XMC4000定时器个数=1 + (CCU4模块数X 4 + (CCU8模块数X 4XMC4500产品的关键特性CCU4XMC4500产品的关键特性CCU8XMC4500产品的关键特性CCU8XMC4500产品的关键特性POSIF特性包含两个模块每个模块支持增量编码器霍尔传感器多通道模式与CCU4、CCU8配合进行位置、速度的检测 与CCU8配合进行直流无刷电机控制小例增量编码器信号处理XMC4500产品的关键特性模拟部分DSDDelta-Sigma ADC转换精度高（过采样动态范围大A的单调器（DSD -特性4个DSD通道梳状滤波器及积分单元辅助梳状滤波器及比较器用于快速边界

8、检测支持旋变激励信号生成及反馈信 号处理载波信号生成单元载波消除信号延迟补偿以及同步积分中断信号产生及DMA支持.A的单调器（DSD -应用隔离电流测量直接通过电阻测量相电流宽动态输入范围，在各种负载均能得到 较高的转换精度过流保护及滤波功能多相电流同步采样可与PWM同步，且积分窗口可控，避开噪声 旋变信号接口低成本激励信号生成反馈信号解调，自动载波解调及积分功能XMC4500产品的关键特性模拟部分ADCADC电气参数内核个数4转换分辨率12位精度 TUE +/-4LSB参考电压范围1,0 - 3,65V采样时间min. 67ns转换时间min. 483ns 12Bit双通道DAC单元：波形生

9、成器功能：支持正弦、三角、自定义信号生 成噪声信号生成（12位伪随机数斜坡信号生成（12位灵活的触发源DAC定时器或外部信号（8路支持连续数据传输（FIFO、DMAADC主要特性:XMC4500在三电平逆变器中的应用光伏逆变器三电平光伏逆变器结构框图XMC4500在三电平逆变器中的应用 一一光伏逆变器光伏逆变器应用资源需求 XMC4500资源特性光伏逆变器（三电平通过捕获比 较单元CCU8产生脉冲 通过电流隔离-三调制器测量相电流和热电压 -三调制 器（DSD交错的Buck/Boost整流功率因数校正（PFC通过捕获比较单元CCU4产生脉冲 线同步通过捕获比较单元CCU4做时间测量通过互联网做

10、远程控制和数据采集以 太网控制器（MAC显示端口快速SPI接口（速度高达20M通过热插拔接口作数据访 问服务USB2.0 OTG接口电池供电的实时时钟RTC单元三电平光伏逆变器资源需求三电平光伏逆变器对MCU资源需求专用PWM单元CCU80可最多硬件同步输出16路PWM信号，满足三电平逆变器需要12路驱动PWM信号的特殊要求。带有快速硬件保护机制专用PWM单元CCU81或者CCU4产生DC/DC电路所需的PWM信号产生Boost实现MPPT功能的两路PWM信号可支持4路同步转换的高性能12位ADC单元（共26通道满足电流，电压，频率，相位等多个物理量实时采集和及时获得精确结果的需求Cache以

11、及两路通用DMA单元Cache能够实现CPU与Flash之间的运算真正的零等待支持12路通道的DMA数据传输，及时把外设数据结构传送到 CPU处理丰富 的外围接口 USIC , MultiCAN以及Ethernet单元 满足客户系统网络化需求。集成DSP以及浮点运算功能，可带给产品较强的处理能力，轻松实现复杂功能。专用单元CCU8便捷实现PWM控制MCU基本特性2路CCU8单元每路CCU8单元由4组子单元组成，每个子单元都包含了独立的定 时器及两个 死区时间，可同时输出4路PWM信号可产生8对互补带死区的中间对齐、边沿对齐或者单次触发三种模式的PWM信号，用于逆变器或者电机控制CCU8内部定时

12、器可由外部事件启动（如ADC等输出电平可根据功率级要求进行选择设定外部信号输入/CTRAP实现紧急停止（停止所有PWM输出,用于实现过流，短路 等故障时的紧急状态保护。轻松生成三电平光伏逆变器和 MPPT所需的PWM信号并实现可靠保护品城中了晶山电子丰富的通信接口资源满足网络化控制需求三个通用串行接口模块USIC可配置最多6路USIC单元可灵活编程用作UART、SPI、LIN、I2C等接口因为目前物联网的使用趋势 彳艮多产品都要求配备Ethernet接口,为客户后期产 品更新换代做好准备以DAVE App形式提供相关软件，包括标准IP,TCP,UDP协议栈，提供标准接口 方便用户程序访问Mul

13、tiCAN控制器这是在自动化控制行业应用最多的通信接口之一USB控制器能够更加便利的和PC做数据交换SD/MMC控制器在数据存取方面带来更大的便利，方便存储历史数据支持触摸屏通讯接口 一般根据产品和厂家自己要求而定：三电平光伏逆变器主要采用 RS485和Ethernet三电平电机控制器主要采用 RS485和MultiCAN内嵌安全特性提高系统可靠性（1Flash的高可靠性硬件错码校验(ECC64位数据对应8位ECC码检测并校正一位错误 检测两位错 误，并给出中断ECC能将错误率减少几个数量级! !大容量Flash , ECC的作用更明显 具有灵活的CRC校验单元(FCE包含4个 CRC内核，支

14、持常见的CRC多项式支持IEEE 802.3(CRC 32-bitCRC-CCITT(CRC 16-bitSAE-J1850 (CRC 8-bit具有自检模式内嵌安全特性提高系统可靠性（2芯片具有多种保护机制读保护、写保护32位密码保护如果密码输入错误，则下次复位前解密操作无效可配置保护策略三个配置文件（UCB0,UCB1,UCB2可保护的扇区范围可定义保护形式：读保护，写保护,OTPUCB0,UCB1支持临时解锁OTP模式,仅可以写一次（UCB2辅川电子、啊晶III电子IXMC4500与TI高端主流DSP产品比较TMS320F2812TMS320F28335XMC4502XMC4500 备注

15、CPU 32位 C28x 32位 C28x Cortex-M4Cortex-M4 Cortex-M4 是 ARM 公司 2010 年推出的处理器，集成了 MCU和DSP功能主频（MHZ 150150120120高性能32位内核，运算能力可达1.25DMIPS/MHzRAM 36KB 68KB 160KB 160KB RAM 更大，而且 XMC 还有 4KB 的 Cache Flash 256KB 512KB 768KB 1024KB Flash更大，可以尽可能的较少外扩，节省成本 EMIP （数据线宽 16-Bit 32/16-Bit32/16-Bit32/16-BitXMC4500 采用 A

16、RM 内核的统一 外扩结构 DMA无6-Ch 14-Ch 14-Ch XMC4500共4个DMA单元，共14通道PWM 16-Ch 18-Ch 50-Ch 83-Ch XMC4500众多IO 口都具有PWM输出或捕获功能捕获/正交编码6-Ch/2路6-Ch/2路16-Ch/2路16-Ch/2路XMC4500捕获通道 更多,而且都是独立的寄存器，功能更强大ADC 通道 /位数 16-Ch/12 bit16-Ch/12 bit26-Ch/12 bit26-Ch/12 bitXMC4500 的通 道数更多，选择性更大。ADC转换时间80ns 80ns 483ns 483ns艮据实际应用 看是需要速度还是需要精 度，XMC4500有效精度10位半UART 2 SCI3 SCI66通用串行接口方式，具体采用何种通信协议由工 程师自己决定，在产品的应 用中更加灵活方便。SPI 11 IIC 无 1USB无无OTG OTG XMC4500的USB可以根据需求配置 Device或者OTG 模式CAN 1233端口更多，选择性更大以太网无无有有XMC4500更易满足客户后期产品升级 定时器3个32位GP , 1个 WD 3个32位GP