MCU如何在充电桩电源设计中提高系统性能

发布时间：2024-07-18 阅读量：7130 来源: 我爱方案网作者: bebop

摘要：为了解决电动汽车的充电焦虑问题，更快的充电速度成为快充站的明确要求，实现充电5分钟，行驶200公里会成为行业的普遍要求。这对充电桩及其中用到的MCU提出了更高要求。在本期文章中，我爱方案网将介绍具备出色的功耗控制，可靠的抗电磁干扰特性，在充电桩中有所应用的高性能MCU，并分享一些已量产的案例及其技术实现方式，以作参考。

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充电桩的直流模块可以通过提高功率密度和提高充电电压两个方向升级，前者需要高性能实时微控制器(MCU)和支持更高开关频率的功率器件，而后者需要的是功率器件更高耐压以及更高的转换效率，第三代宽禁带半导体功率器件将会是很好的选择。而且随着第三代半导体开关频率的提高，需要更复杂的电源拓扑和控制算法，因此对于MCU的需求也进一步提高。

在充电桩应用中，MCU通过调节充电桩的输出，确保电流和电压稳定在合理范围内，有效提高充电桩的充电效率与安全性。当充电过程中出现电池温度异常或电流过大等问题时，系统会及时停止充电，并通过显示屏和声音警报向用户提醒。

举个例子，某款高性能MCU通过集成3.6M SPS采样率，12 位至 16 位分辨率的ADC，实现更高速的电流采样和电压采样；还有150ps分辨率的PWM，这样就可以满足第三代半导体更高的开关频率，实现高动态特性的充电桩方案并显著提高效率、降低尺寸。

复杂的多电平拓扑也是提高充电桩充电效率的关键， NPC和ANPC拓扑是双向PFC /逆变器最受欢迎的两种拓扑，它们可以将开关设备上的电压应力限制为总线电压的一半。但是，这些拓扑需要来自MCU的更多PWM通道，并且还需要一种特殊的保护方案以在任何停机期间维持电源开关两端的电压平衡。

某款MCU提供了独特的可配置逻辑块（CLB），可实现板载故障保护方案，以确保在所有工作条件下均提供实时保护，而无需任何外部逻辑电路，类似于FPGAs / CPLDs一样灵活。

另一方面，第三代半导体的应用可以有效实现针对快速充电桩高效率、高功率密度的电力电子和非常高的功率密度的设计目标。相比此前两代，具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等独特的性能，因此可以减少系统散热成本及无源器件尺寸，可以提供更高能效或更高功率密度，并且降低系统总成本。

相关方案推荐：

STM32G474RET6/三相双向充电桩电源方案

该方案为基于STM32G474RET6开发的15KW三相双向充电桩电源方案，该方案可同时实现AC/DC和DC/AC的双向转换，直流电压为800Vdc，交流电压为400Vac@50Hz，功率可达15KW，转换效率高达99%，并且其能够采用软启动，这可以有效抑制浪涌电流。

方案优势：

三相维也纳，可以实现AC/DC DC/AC双相逆变，主要用于大功率充电桩等前级应用；

ST新一代数字电源控制芯片STM32G474，实现纯数字控制，灵活配置；

方案尺寸小，频率高达100KHz；

控制芯片可以输出12路高精度PWM，频率可以配置2-3级拓扑。

ST STM32G474RET6采用Arm Cortex-M4内核，主频高达170MHz，支持浮点运算、数学加速器和高精度定时器，该定时器可以同时发出12路PWM任意波，精度高达184ps，同时该芯片集成4个OP，多路UART，I2C，DAC控制，能够实现实时过流和过压保护。

APM32F411 MCU/EV交流充电桩方案

面向EV交流充电桩市场需求，极海采用基于Cortex-M4F内核的高适配型APM32F411系列MCU实现应用。该芯片具有高速运算能力，可满足系统精确的电源管理与充电控制需求；具备多种工作模式，实现灵活的充电桩运行控制；拥有丰富的高精度外设资源，以实现对系统参数的高精度监控，并简化系统设计。凭借APM32F411系列MCU优秀的产品特性，可满足市场对充电桩应用在功耗、性能、性价比等方面的综合需求。

APM32F411 EV交流充电桩方案特点

该方案主要应用于6.6KW交流智能家桩/小区共享桩/商业停车场/企事业单位停车/汽车租赁/运营商停车等场合，主要特点：

高效可靠充电管理

■ 交流充电功能，支持单枪充电（可扩展到双充14KW），最大6.6KW充电

■ 过流、短路、过压、欠压、漏电、防雷击、充电、联机中断保护功能，板载隔离器件、保险丝、漏电保护器，保障器件安全及系统稳定性

■ 采用专用AC/DC辅助电源模块，实现稳定供电

■ 设有故障紧急停充功能

小华HC32F334 3kW 两相交错全桥LLC方案（参考设计）

方案简介：

交错式LLC电源拓扑能大幅度降低LLC输出电流纹波，可以减少输出侧滤波电容，从而减少系统体积；扩大单相LLC变换器的输出功率容量，相比直接并联，多相交错后相间易于均流；轻负载时还可以以单相全桥模式工作。所以已经广泛应用在中大功率工业领域。小华HC32F334专用数字电源控制器结合了交错LLC的发波时序和保护需求，完全自主开发设计，支持12路130ps高精度HRPWM。

方案特色：

输入电压：DC 380-420V

输出电压：DC 48V

功率：3000W

峰值效率：97%

谐振频率：132K

两相均流度：＞95%

输出纹波：＜1%

MCU特色

M4 32位 120MHz CPU

36KB RAM 和128KB FLASH

2*6路130ps高精度PWM，支持高精度周期、高精度

占空比和高精度错相

10个事件驱动的时序引擎

可编程逻辑阵列PLA

带FPU和DSP内核

集成EMB功能

8通道DMA，灵活的触发源，支持连锁传输

应用场景：

AC/DC、DC/DC数字电源应用，如通信与服务器电源、砖块电源、微逆、充电桩DC/DC等。

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