关于Level 3混合动力汽车电池充电器设计方案详解

德州仪器（TI）公司的Level 3电动/混合动力汽车电池充电器采用数字功率控制器、通信器件、高性能驱动器以及接口器件。Level 3充电器包括从AC产生DC电压的带PFC的AC/DC转换器，DC/DC转换器，其核心器件是实时C2000系列MCU。

插入式混合电动车（PHEV）和电池电动车（BEV）是两种正在日益兴起的技术，它们采用强大的电机和高压电池组作为动力和能量源。由于电池具有一个确定的能量性能，因此PHEV和BEV必须周期性的进行补充，一般是通过连接电网进行补充。这样做的时候，一些形式的通信（PLC，无线或RFID）可能被用于管理充电活动并帮助对车辆或车主进行认证，从而进行计费。Level 3充电在公共充电领域将发挥重要作用，以降低充电时间，并使用户可以从充电过程中更多的受益。

针对汽车的Level 3充电系统包括一个AC/DC转换器，用于从一个AC线生成一个DC电压。即将充入的电量将需要进行功率因数校正（PFC）以提升功率因数，从而满足地区性的规则标准。在反极器的中心是一个实时C2000微控制器。这个控制器经过编程为控制回路实现所需的电源管理功能，包括采用PCF的AC/DC和DC/DC，从而为电池创建所需的元素。C2000控制器包括先进的外设，如高精度PWM输出和ADC，其设计用于读取ADC并在一个单独的时钟循环内调节PWM，以实现实时控制。

图1 DK-LM3S9B96开发板方框图

由于C2000管理着电源，因此主机控制器有责任采用通信模块所提供的信息和感应的温度来驱动与板上电池组的直接通信。充电状态所需要的信息会传送到功率控制器，重要的充电诊断和电池状态将发送到Level 3充电系统的显示器。

出于安全方面的考虑，在处理器与电源和电压之间，以及通信总线与外部环境之间需要进行隔离处理。TI的数字隔离器具有由TI二氧化硅（SiO2）隔离阻障分隔开的逻辑输入和输出缓冲器，提供了4kV的隔离电压。在与隔离的电源联合应用时，这些器件阻隔了高电压，隔离接地电压并防止了噪声电流进入地面，影响和破坏敏感型的电路。高性能模拟部件可用于提供重要的系统功能，如MOSFET驱动器、感应器反馈、芯片电源和通信收发器。

简易系统上的通信可以通过一个单独的处理器进行控制。像Level 3充电系统这样、更多的具有复杂显示器和线性计帐/报告功能的系统可能都需要第二个控制器。采用的一个低频NarrowBand PLC （LF NB PLC）解决方案在带宽、功率和成本要求方面提供了一个较好的配置。在窄带域（频率高达500kHz）运行保证了数据的完整性，同时使系统成本降低。这样一来，这一标准将会权衡现有的电源线架构，并提供了一个集成智能监视的高性价比方式，并对新的汽车系统进行控制。数据率可以根据现有标准，在1.2kbps至上百kbps间变化。在plcSUITE 资源库中提供了TI的PLC软件，并使用户可以在一种设计中支持数种调制和标准。开发者可以在一个单独的设计中执行SFSK ICE61334，PRIME和G3标准以及FlexOFDM标准，实现OFDM的定制化，并对于即将推出的标准具有适用性。另外，可能需要将无线通信和/或RFID用作为第二通信协议及认证和计费的方式。

Stellaris LM3S2000系列，设计用于控制器局域网（CAN）应用，利用Bosch CAN网络技术（这是短程工业网络的黄金标准）拓展了Stellaris系列。它的推出标志是采用革命性ARM Cortex-M3内核的CAN性能的首次集成。另外，几款LM3S2000系列MCU也编辑在存储器ROM的StellarisWare软件特性中。

TI将32位性能和ARM Cortex-M3内核微控制器的所有优势渗透到微控制器高场的方方面面。对于目前的8位和16位MCU用户而言，采用Cortex-M3内核的Stellaris系列提供了对于强大的开发具系统、软件和行业知识的直径访问路径。那些将更换使用Stellaris的设计者将获益于大量的工具、小代码占位空间和出色的必能。而且更为重要的是，设计者可以在对$1~1GHz的兼容发展路线图充满信心的基础上进行ARM子系统。对于目前32位MCU的用户而言，Stellaris系列提供了采用Cortex-M3和Thumb-2指令集的实现产品。通过极为快速的响应，Thumb-2技术整合了16位和32位指令，以提供代码密度和性能方面的良好平衡。Thumb-2与32位代码相比，所有存储器降低了26%，却提供了高出25%的性能。德州仪器Stellaris系列微控制器是ARM Cortex-M3内核微控制器，将高性能的32位计算带入到了成本敏感型的嵌入式微控制器应用中。这些开创性的产品让客户可以通过相当于之前8位和16位器件的价格实现32位的性能，所采用的都是一个小引脚的封装。

LM3S2B93微控制器特性

LM3S2B93 MCU主要特性：

• ARM Cortex-M3处理器内核

– 80-MHz工作频率：100 DMIPS性能

– ARM Cortex SysTick计时器

–嵌套式适量中断控制器 （NVIC）

•片上存储器

–最高达50 MHz 的256 kB 单循环闪存；预取缓冲器将性能提高至50MHz 以上

– 96kB单循环SRAM

–内部ROM，载有StellarisWare软件

• Stellaris外设驱动器资料库

• Stellaris启动加载器

•高级加密标准（AES）密码使用表

•循环冗余码校验 （CRC）错误检测功能

•外部外设接口 （EPI）

–适用于外部外设的8/16/32位专用型平型总线

–支持SDRAM， SRAM/闪存，FPGAs，CPLDs

•先进的串行集成

–两个CAN 2.0 A/B控制器

–三个UART，具有IrDA和ISO 7816支持（一个具有解调器控制和状态的UART）

–两个I2C模块

–两个同步串行接口模块（SSI）

–集成型芯片音频（I2S） 模块

•系统集成

–直接存储器访问控制器（DMA）

–包括片上高精度16MHz振荡器的系统控制和时钟

–四个32位计时器（最高8个16位）

– 8个捕捉比较PWM引脚（CCP）

–低功耗电池包休眠模块

–休眠模块中的实时时钟

–两个看门狗计时器

•一个脱离主振荡器的计时器

•一个脱离高精度内部振荡器的计时器

–最高67 GPIO，取决于具体配置

•高度灵活的引脚结合，允许采用 GPIO或多种外设功能中的一种

•独立的可配置为2mA、4mA或8mA驱动性能

•最高4个GPIO可以具有18 mA的电流驱动性能

•先进的运动控制

–八个高级PWM输出，适用于运动和能源应用

–四个故障输出，可推进低延迟关断

–两个积分编码器输入 （QEI）

•模拟

图2 DK-LM3S9B96开发板PCB顶层元件布局图

–两个10位模数转换器（ADC），具有16个模拟输入通道和每秒百万样品的采样率

–三个模拟比较器

–16个数字比较器

–片上稳压器

• JTAG和ARM串行线调试（SWD）

• 100引脚 LQFP封装

• 108-球BGA封装

•工业 （-40℃~85℃） 温度范围

LM3S2B93微控制器面向工业应用，包括远程监视、电子销售点设备、测试测量设备、网络设备和开关、工厂自动化、HVAC和楼宇控制、游戏机、运动控制、传输、防火和安全等。

对于要求较大功率转换的应用，LM3S2B93微控制器具有用于电池的休眠模块，可以将LM3S2B93在不活动期间的功率有效降低到低功率状态。利用上电/掉电时序器，持续的时间计数器（RTC），一对匹配寄存器，一个面向系统总线的APB接口和专用的非易失性存储器，休眠模块使得LM3S2B93微控制器完全适用于电池应用。

另外，LM3S2B93微控制器提供的很多ARM的优势广泛适用于开发工具，系统级芯片（SoC）架构IP应用和大的用户社区。

另外，微控制器采用ARM的Thumb兼容型Thumb-2指令集，以降低存储器的要求，进而降低成本。LM3S2B93微控制器与扩展型的Stellaris系列中的所有产品都兼容；提供了灵活性以满足客户的高精度的要求。

其中各元件如下：

• R1复位上拉电阻器

• C1复位输入滤波电容器

• C3 LDO调节器滤波电容器

• C2，C4-C6，C11 VDD去耦电容器

• C7，C18 VDDC去耦电容器

• C12-C17晶体负载电容器

• Y1以太网晶体

• Y2主振荡器晶体

• Y3休眠模块晶体

• R3以太网RBIAS电阻器

• R2休眠振荡器电阻器

• R5 USB RBIAS

• R4 MDIO上拉电阻器

Stellaris LM3S9B96开发板

Stellaris LM3S9B96开发板提供了一个平台用于开发系统，具有LM3S9B96 ARM Cortex-M3内核微控制器的性能。

LM3S9B96是Stellaris Tempest-class微控制器系列的成员。Stellaris Tempest-class器件所具有的性能包括80 MHz的时钟速度，一个外部外设接口（EPI）和音频I2S接口。除了具有新的硬件支持这些特性外，DK-LM3S9B96板包括Stellaris板有具有的丰富的外设集。

开发板包括一个板上在电路调试接口（ICDI），支持JTAG和SWD两种调试。一个标准的ARM 20引脚调试头支持一个阵列的调试解决方案。

Stellaris LM3S9B96开发套件加速了Tempest-class微控制器的开发。套件还包括更多的示例应用和完整的资源代码。

Stellaris LM3S9B96开发板主要特性：

•简易的设置——USB线提供调试、通信和功率

•具有多种外设的灵活开发平台

•彩色LCD图片显示器

– TFT LCD模块，具有320×240的分辨率

–电阻性触摸界面

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

– 8 MB SDRAM （插入式 EPI 选项板）

– EPI break-out板 （可选插板）

• 1 MB串行闪存

•高精度3.00 V 基准电压

•微控器ROM中的SAFERTOS操作系统

• I2S立体声音频编解码器

–线性输入/输出

–耳机输出

•控制器局域网 （CAN）接口

• 10/100 以太网

• USB On-The-Go （OTG）连接器

•器件，主机和OTG模式

•用户 LED和按钮

•指轮分压计 （可用于菜单导航）

• MicroSD卡插槽

•支持广泛的调试选项

–集成型在电路调试接口 （ICDI）

–完全支持 JTAG、SWD和 SWO

–标准的ARM 20-pin JTAG调试连接器

• USB实体COM端口

•跳线分流器可方便的再分配I/O资源

•采用支持Keil RealView微控制器开发套件（MDK-ARM）的工具、IAR嵌入式工作平台、编码资源GCC开发工具、红色代码技术开发工具或TI代码编译器Studio IDE

•由StellarisWare软件进行支持，包括图片库，USB库和外设驱动器库。

•可选的扩展板，与外部外设接口（EPI） DK-LM3S9B96开发板共同工作，扩 展了这个开发平台（单独售卖）的性能

– Stellaris 闪存和SRAM存储器扩展板 （DK-LM3S9B96-FS8） （单独售卖）

• 提供闪存，SRAM和提升性能的LCD接口

– Stellaris FPGA扩展板（DK-LM3S9B96-FPGA） （单独售卖）

•提供Stellaris微控制器的机对机（M2M）、高带宽、并行接口性能

•使用户可以在DK-LM3S9B96开发板的3.5”触屏上控制和显示FPGA 扩展板的视频。了解DK-LM3S9B96-FPGA的更多信息。

– Stellaris EM2 扩展板 （DK- LM3S9B96-EM2）

•提供了Stellaris外部外设接口（EPI）连接器和RF评估模块（EM）连接器 之间的传输

•可以利用Stellaris DK-LM3S9B96平台上的低功耗RF和RF ID评估模块实现无线应用开发