Microsoft PowerPoint Jan XMC4K Power Webminar v1.7.pptx

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姜顾
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1 XMC 领跑数字电源设计 ARM Cortex -M4 内核一颗芯, 无限域在线研讨会荆晓博, 英飞凌市场工程师 xiaobo.jing@infineon.com

Titanium 90% 94% 96% 91% 精密应用, 通讯电源等 Phoenix DC-DC Quint PS/24DC/24DC Output: 24VDC +/-1% Output variance: +/-1% @static load 10-90% Output

3 数字电源发展趋势 - 高效高频高精度高效率 Energy Star including 80 PLUS 高频率国际铜价在过去十年内上涨了约 5 倍提高开关频率可减少铜用量, 降低成本 80 PLUS Efficiency at Load Condition Certification load of 10% 20% 50% 100% Bronce - 81% 85% 81% Silver - 85% 89% 85% Gold - 88% 92% 88% Platinum - 90% 94% 91% 高精度 Titanium 90% 94% 96% 91% 精密应用, 通讯电源等 Phoenix DC-DC Quint PS/24DC/24DC Output: 24VDC +/-1% Output variance: load 10-90% Output variance: load 10-90% Output variance: variance +/-10% Copyright Infineon Technologies All rights reserved. Page 3

4 数字化控制专用芯片 (ASIC) 微控制器专用性针对特定应用优化 (AC/DC etc) 输入电压输出电流参数固定参数配置及优化选项固定, 无需修改用量大成本低平台化方式可重用可扩展适用于多种拓扑结构灵活性输入电压范围可变输出电流可变参数及控制方式可编程功率调整通讯功能人机交互 Copyright Infineon Technologies All rights reserved. Page 4

挑战 2 性能要求 vs 成本提高与模拟控制同样的性能精度零成本增加 HRPWM 挑战 3 模拟 -> 数字难易程度

5 数字化控制面临的挑战挑战 1 多种拓扑结构的支持 CCU4 CCU8 Buck, Boost, Flyback, Forward, LLC, Phase Shift, Heric, H5, 3-Level etc. 挑战 2 性能要求 vs 成本提高与模拟控制同样的性能精度零成本增加 HRPWM 挑战 3 模拟 -> 数字难易程度 DAVE3 传统控制 vs 数字控制硬件设计 vs 软件编程 Copyright Infineon Technologies All rights reserved. Page 5

7 英飞凌微控制器产品 XMC4000 家族 ~ MHz ~ MHz ~ MHz ARM Cortex TM M4 XMC4000 XMC4100 XMC4200 XMC4400 XMC4700 XMC4500

8 XMC4000 家族 - 产品规划 *XMC4700 系列高端 XMC4500 系列 Cortex-M4,120 MHz 1 MB eflash, 160 kb RAM USB, 以太网 3 个封装选项 2012 年 5 月开始生产 XMC4400 系列 Cortex-M4,180 MHz 2.5 MB Flash, 640 kb RAM 安全特性 eflash, 双以太网 LCD 控制器 USB HS MAC 2015 年第一季度开始生产中端 Cortex-M4,120 MHz 512 kb eflash, 80 kb RAM HR-PWM,USB, 以太网 2013 年 5 月开始生产 XMC4200 系列 Cortex-M4,80 MHz 256 kb eflash, 40 kb RAM HR-PWM,USB 2013 年 5 月开始生产低端 XMC4100 系列 Cortex-M4,80 MHz 128 kb eflash 20 kb RAM HR-PWM,USB 2013 年 5 月开始生产 Copyright Infineon Technologies All rights reserved. Page 8

9 XMC4000 家族 - 主要优势将英飞凌关键的 IP 和技术专长与行业标准内核的所有优势结合在一起性能卓越创新的外设最强的 PWM 单元 -Demodulator, 节省成本最灵活的可配置最快 Flash 访问丰富的通信接口品质高贵高性能高可靠性的汽车等级的 Flash 生产线安全特性 : ECC MPU CRC 工作温度范围可至 125 C 15 年以上产品生命周期开发简单集成开发环境 DAVE 3 IDE+GCC compiler 面向应用的自动代码生成器免费工具面向第三方开放丰富的第三方工具支持 Copyright Infineon Technologies All rights reserved. Page 9

10 XMC4000 家族 - 结构框图 ARM Cortex TM -M4 & Floating Point Unit DEBUG System Timer Real Time Clock DMA Memories Communication Timer & Actuator Control Analog & Mixed Signal Safety/Reliability Ethernet CCU4 (4 PWM) ADC(12bit) Data protection through ECC/Parity USB 2.0 OTG SD/MMC card I/F CCU8 (8 对互补 PWM) High Resolution PWM DAC(12bit) ΔΣ Demodulator CRC & Random Pattern generation External Memory I/F Position Interface HMI ( 正交编码 /Hall/ 多通道 ) Capacitive Touch Infineon CAN innovation Infineon LED Matrix state-of-the-art USIC (Serial communication) Programmable Ports Standard Copyright Infineon Technologies All rights reserved. Page 10

11 XMC4000 家族 - 产品资源 Low-end High-end * Under definition System Per rformance Timer rs Signa al Processing Com mmunication n XMC4100 XMC4200 XMC4400 XMC4500 XMC4700* Core ARM Cortex TM -M4 CPU frequency (at 125 C) 80 MHz 80 MHz 120 MHz 120 MHz 180 MHz Co-proc Floating Point Unit Flash size 128 kb 256 kb 512 kb 1 MB 2.5 MB RAM size 20 kb 40 kb 80 kb 160 kb 512 kb Cache 1 kb 4 kb 4 kb 4 kb 6 kb POSIF 2x 2x 2x 2x 2x CCU4 (4ch) 2x 2x 4x 4x 4x CCU8 (4ch) 1x 1x 2x 2x 2x High-resolution PWM channels (150ps) 4x 4x 4x ADC 12-bit 2x 2x 4x 4x 4x Delta/Sigma Demodulator 4x 4x 4x DAC 2x 2x 2x 2x 2x IEEE 1588 Ethernet MAC 1x 1x 2x USB FS DEV FS DEV FS OTG FS OTG HS OTG SD/MMC Serial channels (UART, SPI, I 2 C, I 2 S) 4x 4x 4x 6x 6x Ext. Memory I/F CAN 2x 2x 2x 3x 3x Touch Button Copyright Infineon Technologies All rights reserved. 数字电源控制 Page 11

12 XMC44/42/4100 系列产品型号列表 Sales Name Temperature Range Package SP # FunctionaLarge P Flash SRAM Ethernet USB in KB in KB Interf. Interf. MultiCAN ADC DSD DAC USIC CCU4 CCU8 POSIF HRPWM Nod./Msg. Chan. Chan. Chan. Chan. Slices Slices Interf. Interf. XMC4400 F100F512 AB C QFP 100 SP TRAYS (OTG) 2 / 64 4 x x 2 4 x 4 2 x XMC4400 F100K512 AB C QFP 100 SP TRAYS (OTG) 2 / 64 4 x x 2 4 x 4 2 x XMC4400 F64F512 AB C QFP 64 SP TRAYS (OTG) 2 / 64 4 x x 2 4 x 4 2 x XMC4400 F64K512 AB C QFP 64 SP TRAYS (OTG) 2 / 64 4 x x 2 4 x 4 2 x XMC4400 F100F256 AB C QFP 100 SP TRAYS (OTG) 2 / 64 4 x x 2 4 x 4 2 x XMC4400F100K256 AB C QFP 100 SP TRAYS (OTG) 2 / 64 4 x x 2 4 x 4 2 x XMC4400 F64F256 AB C QFP 64 SP TRAYS (OTG) 2 / 64 4 x x 2 4 x 4 2 x XMC4400 F64K256 AB C QFP 64 SP TRAYS (OTG) 2 / 64 4 x x 2 4 x 4 2 x XMC4402 F100F256 AB C QFP 100 SP TRAYS (OTG) 2 / 64 4 x x 2 4 x 4 2 x XMC4402 F100K256 AB C QFP 100 SP TRAYS (OTG) 2 / 64 4 x x 2 4 x 4 2 x Superset Sample Available XMC4402 F64F256 AB C QFP 64 SP TRAYS (OTG) 2 / 64 4 x x 2 4 x 4 2 x XMC4402 F64K256 AB C QFP 64 SP TRAYS (OTG) 2 / 64 4 x x 2 4 x 4 2 x Sales Name Temperature Package SP # FunctionaLarge PFlash SRAM Ethernet USB MultiCAN ADC DSD DAC USIC CCU4 CCU8 POSIF HRPWM Range in KB in KB Interf. Interf. Nod./Msg. Chan. Chan. Chan. Chan. Slices Slices Interf. Interf. XMC4200 F64F256 AB C QFP 64 SP TRAYS / 64 2 x x 2 2 x 4 1 x XMC4200 F64K256 AB C QFP 64 SP TRAYS / 64 2 x x 2 2 x 4 1 x XMC4200 Q48F256 AB C QFN 48 SP TUBES / 64 2 x x 2 2 x 4 1 x XMC4200 Q48K256 AB C QFN 48 SP TUBES / 64 2 x x 2 2 x 4 1 x 多样的产品组合 XMC4100 F64F128 AB C QFP 64 SP TRAYS / 64 2 x x 2 2 x 4 1 x XMC4100 F64K128 AB C QFP 64 SP TRAYS / 64 2 x x 2 2 x 4 1 x XMC4100 Q48F128 AB C QFN 48 SP TUBES / 64 2 x x 2 2 x 4 1 x XMC4100 Q48K128 AB C QFN 48 SP TUBES / 64 2 x x 2 2 x 4 1 x * 详细型号列表见英飞凌官方网站 XMC4104 F64F64 AB C QFP 64 SP TRAYS x x 2 2 x 4 1 x XMC4104 F64K64 AB C QFP 64 SP TRAYS x x 2 2 x 4 1 x XMC4104 Q48F64 AB C QFN 48 SP TUBES x x 2 2 x 4 1 x XMC4104 Q48K64 AB C QFN 48 SP TUBES x x 2 2 x 4 1 x XMC4104 F64F128 AB C QFP 64 SP TRAYS x x 2 2 x 4 1 x XMC4104 F64K128 AB C QFP 64 SP TRAYS x x 2 2 x 4 1 x XMC4104 Q48F128 AB C QFN 48 SP TUBES x x 2 2 x 4 1 x XMC4104 Q48K128 AB C QFN 48 SP TUBES x x 2 2 x 4 1 x Copyright Infineon Technologies All rights reserved. Page 12

XMC44/42/4100 系列 - 数字电源应用 UPS Power Inverter Solar Inverter Welding Machine Telecom Power

Storage System Welding Machine, Laser Charger Stations Automation Power Supply Lab Power

Square wave, Online, Off line Power Inverter, Solar Inverter Battery Management, 4 Quadrant

13 XMC44/42/4100 系列 - 数字电源应用 UPS Power Inverter Solar Inverter Welding Machine Telecom Power Charger Station Energy Storage System Segment Telecom Power/ Digital Power UPS Inverter Energy Storage System Welding Machine, Laser Charger Stations Automation Power Supply Lab Power Supply Embedded Auxiliary Supply Features <1KVA,1kVA, 3 kva High Frequency, Pure Sine wave, Square wave, Online, Off line Power Inverter, Solar Inverter Battery Management, 4 Quadrant Portable, High power Several kva, communication Variable, robust Accurate, stable, robust Flexible, accurate

15 数字电源应用对微控制器的要求灵活的 PWM 丰富的软件支持高精度控制通信接口多种控制方式支持准确快速的模拟信号转换精准快速的计算

16 灵活的 PWM

17 多样的拓扑结构基本拓扑复杂拓扑 H5 Heric Boost + LLC + DC/AC stage 或多种拓扑的组合数字电源需要足够灵活的 PWM 以支持现有的多样化的拓扑结构 - 已有应用将来可能出现的新拓扑结构 - 扩展空间 Boost + Neutral clamp 3-level inverter

18 灵活的 PWM XMC4000 家族 PWM 模块专门针对此目标进行设计高度灵活性扩展性最大程度支持硬件实时控制硬件信号生成模块化结构丰富的模块间连接可能性内部信号连接矩阵,ERU

19 灵活的 PWM 灵活的 PWM 生成, 支持单端互补 PWM 对称非对称 PWM 周期非周期性 PWM 单群脉冲生成对称非对称死区生成丰富的 PWM 通道 8 对互补 PWM ( 单 CCU8 模块 ) 4 路独立 PWM ( 单 CCU4 模块 ) 举例 :XMC4400 支持 16 路 PWM+16 对 PWM 生成可与内部 A/D 比较器配合使用支持外部信号控制启动停止控制紧急关断 (Trap) 支持多种拓扑结构半桥全桥三相全桥交错式 PWM 移相全桥三电平控制 Copyright Infineon Technologies All rights reserved. Page 19

20 CCU4/8 应用介绍 CCU8 三电平逆变器 ( 光伏逆变器 ) 举例 : 移相控制多半桥全桥逆变器非对称 PWM 生成 CCU4 SMPS 脉冲生成 ( 周期, 非周期 ) 多 Buck/Boost 逆变器 ( 独立频率 ) 三相交错 DC/DC 逆变器 ZVS 全桥逆变器三电平控制单 CCU8 模块支持 8 对互补 PWM 生成保护机制支持三电平特殊的关断时序要求峰值电流控制 (Buck k 逆变器 ) 全桥 LLC 外部模拟信号测量内部外部信号捕获 Copyright Infineon Technologies All rights reserved. Page 20

21 高精度控制

22 高精度控制 - PWM 分辨率闭环控制系统中 ADC 采样精度需 2 倍控制对象 ( 电压 ) 精度例如, 控制电压精度 1%, 则 A/D 精度至少为 0.5% PWM 分辨率应需 2 倍 ADC 采样精度例如,PWM 分辨率为 0.25% => > 400 steps (~9bit) 对于高频控制 200kHz PWM => 200kHz*400 = 80MHz CCU4/CCU8 in XMC45/44/42/ kHz PWM => 500kHz*400 = 200MHz HRPWM in XMC44/42/ MHz PWM => 1500kHz*400 = 600MHz HRPWM in XMC44/42/ values 200 values Copyright Infineon Technologies All rights reserved. Page 22

23 高精度控制 - PWM 轻载对于轻载应用假设 10% 负载时, 实现同样控制特性, 则 PWM step 数需乘以 10 例如 :PWM 占空比控制范围 0% - 10% 400 steps => 4000 steps (~12bit) ADC 输入范围 => 1/10 最大量程对于以下频率 0.5% => 0.05% (~11bit) 200kHz => 200kHz*4000 = 800MHz HRPWM 500kHz => 500kHz*4000 = 2000MHz HRPWM 1.5MHz => 1500kHz*4000 = 6000MHz HRPWM Note: HRPWM resolution 150ps ( GHz) in XMC4200/4100 轻载控制 4000 values Copyright Infineon Technologies All rights reserved values Page 23

24 高精度控制 - PWM 不同负载 Switching frequency Duty cycle Resolution w/o 80 MHz Resolution w/o 120 MHz Resolution w/ HRPWM 200 KHz 50% 7.6 bit 8.2 bit 14 bit 20% 6.3 bit 6.9 bit 12.7 bit 10% 5.3 bit 5.9 bit 11.7 bit 500 KHz 50% 6.3 bit 6.9 bit 12.7 bit 20% 5 bit 5.5 bit 11.3 bit 10% 4bit 45bit bit 1,5 MHz 50% 4.7 bit 5.3 bit 11.1 bit 20% 3.4 bit 4 bit 9.8 bit 10% 2.4 bit 3 bit 8.8 bit XMC4000 HRPWM 模块 Copyright Infineon Technologies All rights reserved. Page 24

DAC 可独立运行或组合运行 Control Speed Comparator and Slope Generation CSG 支持高频硬件模拟控制 Accuracy Control

25 XMC4000 高分辨率 PWM 模块 HRPWM 模块集成四路 HRPWM 通道 (HRC) 支持 4 路 / 对 HRPWM 生成 150ps 分辨率 ( 周期占空比 ) 与 CCU8 配合使用硬件死区时间生成三个 CSG 单元硬件比较器斜坡补偿生成 Accuracy High resolution Channel HRC 10-bit, 30MS/s DAC 可独立运行或组合运行 Control Speed Comparator and Slope Generation CSG 支持高频硬件模拟控制 Accuracy Control Speed Efficiency Copyright Infineon Technologies All rights reserved. Page 25

XMC4000 高分辨率 PWM 模块 -HRC Finetuning with Picophases Set date

27 高分辨率 PWM 效果 -Buck 变换器, 电压模式,XMC4400 普通精度 PWM 调制稳态特性明显提升 HRPWM 调制 Vout Stepwidth 8.3ns 输出纹波较大 Stepwidth 150ps 输出电压纹波小 PWM Buck 变换器 ( 电压模式 ): Vin=8V / Vout =0.8V / fswitch=280khz / Load=1ohm CPU load <5%

28 多种控制方式支持

29 数字电源常见控制方式电压模式控制输出电压恒定输出负载可变输入电压可变输出最大电流限制检测输出电压与参考电压比较, 电流控制输出电压非恒定与负载电流输入电压占空比电路元件参数等相关检测输出电压, 检测电感电流, 根据误差控制占空比根据误差控制占空比 + - Vref Vin Vout L1 Q1 D1 Co Copyright Infineon Technologies All rights reserved. Page 29

30 数字电源常见控制方式控制方式拓扑结构响应速度特性电压模式 Buck, Forward 慢输出短路保护非逐周期控制反馈量信号幅值大, 易采样电流模式电压模式控制 Boost, Flyback, Push-Pull, Half- and Full-bridge, bid LLC 快计算量小, 普通微控制器即可实现电流模式控制平均电流模式逐周期控制, 计算量大,CPU 负荷高峰值电流控制 : 比较器支持 + 斜坡补偿输出短路保护, 过流保护逐周期控制反馈信号幅值小, 增加放大电路输出级可并联 Copyright Infineon Technologies All rights reserved. Page 30

峰值电流控制 & 斜坡补偿峰值电流控制下, 当占空比 >50% 时扰动电流引起的电流误差逐渐增大, 易产生次谐波振荡需增加斜坡补偿 Source: Venable

峰值电流控制 & 斜坡补偿 XMC4000 实现 XMC4000 CSG 单元电流环控制 CSG,~0 CPU load 电压环控制 CPU 软件控制低频配合 HRC

33 精准快速的计算

34 XMC4000 家族 - 运算能力 XMC4000 运算能力 Cortex-M4 内核 32 位 CPU 集成 DSP 指令集主频 :80/120MHz 单精度浮点运算单元 (FPU) 与 HRPWM 配合, 提高控制精度高速 Flash 访问 20-22ns 22ns 访问时间 ( 无 cache) ~ 零等待周期 ( 使能 Cache) Cache 可选择关闭 ARM CMSIS Lib Support CMSIS DSP Lib 下载地址

35 模拟量转换

36 XMC4000 家族 SAR ADC 四核 ADC, 12 位分辨率,26 个通道 (XMC4500) 483ns 转换时间,67ns 采样时间 ( 可配置 ) 灵活的转换请求方式队列扫描后台运行可由各种 PWM (CCU8, CCU4) 事件触发转换灵活的结果处理及滤波硬件支持多次平均,FIR, IIR 滤波边界检测灵活的中断生成 ADC 电气参数内核个数 4(XMC4500) 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. 12Bit

37 XMC4000 家族 SAR ADC 同步采样灵活的触发门控机制, 可避开干扰准确采样 Burst 模式连续转换 4 个通道, 提高采样率

38 通信接口

39 XMC4000 家族通信接口支持常见的接口类型 USIC: SPI, I2C, I2S, LIN, UART CAN (2,3 个 CAN 节点 ) Ethernet USB OTG EBU: 支持最多 4 个外部设备 (SRAM, FLASH 等 ) SD SDHC DAVE TM 3 协议支持

40 丰富的软件支持 - DAVE 3

41 新一代 DAVE TM - DAVE 3 免费集成开发环境基于 Eclipse 平台集成 ARM GNU 编译器免费调试器利用 DAVE Apps 自动生成代码大大缩短 XMC4000 的软件开发周期

软件资源分配 ( 依据目标板, 芯片资源 ) 资源分配产品描述代码生成 DAVE 代码生成器程序编辑

42 基于 DAVE 3 的项目开发流程根据应用选择软件模块 (DAVE Apps) DAVE App 选择器 DAVE App store 模块化软件编程应用模型英飞凌免费免费第三方商用第三方软件软件资源分配 ( 依据目标板, 芯片资源 ) 资源分配产品描述代码生成 DAVE 代码生成器程序编辑程序编译源代码编译工具代码 & 项目管理调试器监控工具第三方方工具减少软件开发时间 System

43 DAVE 3 电源应用相关 Apps Service Apps DMA NVICC Peripherals Drivers Basic Applications Timer I/O CAN EBU USIC (I2S, I2C, UART, SPI) Flash ADC CRC Delta Sigma Demodulator AES DAC Debug Log Resolver Interface CMSIS RTOS PWM Libraries Capture Counter Ref Projects POS Decoding (Hall, Quad) elua ETH HMI system Touch Sensing 已公布 103 个 apps (DaveApp_V1_0_32) 已公布 40 多个相关使用例程持续优化增加中 Middle Ware USB stack, class drivers, host and device TCP/IP stack plus HTTP, FTP, SNMP SD/MMC, file system, GUI lib plus driver for intel. LCD Dedicated d solutions Motor control Modbus Webserver Power conversion Buck, Boost FlyBack etc

45 XMC4000 家族 - 丰富的在线活动 XMC4200 Minikit 大派送 30 套 Minikit, 先到先得登陆进行预登记时间 :2013 第一季度 XMC4000 网上课堂在英飞凌中文社区会有 XMC4000 的视频培训资料欢迎大家踊跃学习提问对积极活跃的网友会赠送精美礼物

Microsoft PowerPoint - XMC4000系列开发环境介绍(DAVE3).pptx

Microsoft PowerPoint - XMC4000系列开发环境介绍(DAVE3).pptx XMC4500 2012 XMC4000 6 11 6 13 6 15 6 18 6 20 6 22 XMC4000 IDE, C-Compilers, Debuggers, Analysis Utilities HW Debuggers Flash Programming Altium Atollic Keil IAR Systems Wind River Hitex PLS isystems Lauterbach