2023-3-13

作者：Ke, Shaoxing

摘要

随着新能源领域的发展, 在数字电源控制系统中要求功率密度高且转换效率高。其中,整机功率密度的提升，就需要提高开关频率, 大部分现有产品的开关频率在50k~200kHz。然而, 由于SiC/GaN器件的大面积推广与使用, 开关频率已经提升到500kHz，甚至1MHz。当系统的开关频率超过200kHz时，此时PWM脉宽的调节精度会变低, 这就需要使用高精度模式的PWM调制。我们把用于扩展传统ePWM模块的时间精度的模块, 称之为高精度PWM(High resolution PWM)。本文将对C2000片上HRPWM模块的工作原理、使用方法和注意事项进行详细讨论，并以实际案例进行展示。此外，HRPWM模块也可以作DAC输出用来实现模拟信号的观测。

1.高精度PWM的工作原理 (HRPWM)

1.1 高精度PWM的MEP技术

C2000支持占空比、相移、死区和周期的高精度控制。HRPWM是在普通PWM模块上采用微边沿定位 (MEP, micro-edge positioner) 技术实现的。简单来说, 就是将一个计数周期再拆分为很多个小的MEP步长, 如下图所示。其中，MEP最小步长是150ps。

图1 HRPWM的微边沿定位MEP示意图

计算举例：如下图所示(开关频率为1MHz)，控制精度是由PWM的“计数器值”和“比较值”的来决定。F280013x的CPU频率为120MHz，假设EPWM模块时钟为120MHz, 此时EPWM单个计数周期为8.3 ns，MEP步长为150 ps。如此, 可将每一个计数周期再细分为8.3 ns / 150 ps = 55. 56份。如图中单边向上计数模式下, 开关频率为1MHz，则三角波载波周期为1 us, 计数周期TBPRD等于120。如果想实现10.15%的占空比，则边沿时间的控制应当是 10.15 * 8.3 ns = 84.245 ns。此时, 设定CMPA = 10 （83 ns），剩下的1.245ns(不足单个计数周期)应当由HRPWM模块来实现, 也就是CMPA上再加上1.245 ns = 1245 ps = 150 ps * 8.3 » 8个MEP步长。

图2 单边计数模式下的载波波形

其中，PWM分辨率的计算公式，如图3所示。

图3 PWM的分辨率计算公式

图4为不同开关频率下的PWM和HRPWM的分辨率。如下图，当开关频率＞250k，或者所要求的PWM分辨率>(9-10 bit)时，系统则需要使用HRPWM模块。

图4 PWM和HRPWM的分辨率算例表

1.2 高精度PWM的相关寄存器

高精度PWM相关的寄存器，如CMPAHR/CMPBHR、TBPHSHR、TBPRDHR、DBREDHR和DBFEDHR，以及HRPWM的时钟输入与配置，如图5和图6所示。HRPWM高精度寄存器作用位置是在AQ子模块之后，由此不会影响AQ执行边沿动作。

图5 HRPWM的相关的寄存器

图6 HRPWM的相关的寄存器作用位置

图7 HRPWM的时钟输入与配置

其中，需要注意的是CMPAHR寄存器只会影响Channel A，它跟CMPA没有任何必然关系；CMPBHR寄存器只会影响Channel B，它跟CMPB没有任何必然关系。同时, CMPAHR和CMPBHR分别可以作用在上升沿、下降沿和上升/下降沿。如下图寄存器的说明可知, 如果仅配置CMPAHR寄存器值, 而Channel B上通过死区模块由PWMxA极性翻转而来, Channel B 上则不会产生高精度的PWM波形。若需要Channel A和Channel B都需要高精度模式, 此时需要将CMPAHR 与CMPBHR赋予相同的值，从而产生正确的PWM波形，如图8所示。

图8 HRPWM的CMPAHR/CMPBHR寄存器说明

1.3 高精度PWM的CMPAHR/CMPBHR寄存器计算

以F28004x/F28003x为例，CMPAHR的算例及计算过程如下图9所示。分别针对不同CMPAHR和CMPBHR上升沿REP (Rising Edge Position) 、下降沿FEP (Falling Edge Position) 和上升/下降沿BEP (Both Edge Position) 的作用示例。

图9 HRPWM的CMPAHR算例

CMPAHR和CMPBHR上升沿REP作用示例, 如图10:

图10

CMPAHR和CMPBHR下降沿FEP作用示例，如图11:

图11

CMPAHR和CMPBHR上升/下降沿BEP作用示例，如图12:

图12

1.4 创建和配置高精度PWM的工程项目

1)创建Driverlib的工程项目

Step1：添加 "Include" Files: #include "sfo_v8.h" 以及所对应的库文件SFO_lib

Step2：声明Variable Declarations:

uint16_t status = SFO_INCOMPLETE;

uint32_t MEP_ScaleFactor = 0; //scale factor value

volatile uint32_t ePWM[(PWM_CH + 1)] = {0, EPWM1_BASE, EPWM2_BASE};

Step3：缩放因子初始化MEP_ScaleFactor Initialization:

while(status == SFO_INCOMPLETE)

{

status = SFO();

if(status == SFO_ERROR)

{

// SFO function returns 2 if an error occurs & # of MEP

// steps/coarse step exceeds maximum of 255.

error();

}

Step4：增加用户代码并配置对应的寄存器如CMPAHR

void main ()

{

int status;

// User code

// ePWM1, 2, 3, 4 are running in HRPWM mode

// The status variable returns 1 once a new MEP_ScaleFactor has been

// calculated by the MEP Calibration Module running SFO

// diagnostics.

status = SFO ();

for(;;)

{

    if(test_ctr < 256)
        {
            HRPWM_setCounterCompareValue(ePWM[1], HRPWM_COUNTER_COMPARE_A, (0x2000 + test_ctr));
            test_ctr++;

        }
        else
        {
            test_ctr = 0;
        }

if(status == SFO_ERROR)

{

// SFO function returns 2 if an error occurs & # of

// MEP steps/coarse step exceeds maximum of 255.

error();

}

2)Bit-field按寄存器创建的工程

Step1：添加 "Include" Files: #include "sfo_v8.h"以及所对应的库文件SFO_lib

Step2：声明Variable Declarations:

Uint16 status = SFO_INCOMPLETE;

int MEP_ScaleFactor = 0; //scale factor value

volatile struct EPWM_REGS *ePWM[] = {0, &EPwm1Regs, &EPwm2Regs};

Step3：缩放因子初始化MEP_ScaleFactor Initialization:

同上。

Step4：增加用户代码并配置对应的寄存器如CMPAHR

同上。

1.5 测试工程与PWM波形

2. 高精度PWM的注意事项

2.1 高精度PWM的Dead Band半个TBCLK计数周期生效

如下Note提示, 死区的高精度模式控制仅在半个TBCLK计数周期生效, 如下计算公式可知, 若CPU主频直接分频给到EPWM时钟，即TBCLK 为100MHz，也就是10ns, 此时DBREDHR和DBFEDHR寄存器仅在5ns计数周期生效, 这也是为了进一步保证高精度死区的生成。

2.2 高精度PWM的Dead Band高精度仅在双边计数Up-Down模式生效

如下Note提示, 死区的高精度模式控制仅在Up-Down计数模式下生效, 这主要是由于HRPWM的Duty占空比高精度模式控制限制所造成的。HRPWM在前三拍和后三拍是无效的，此时若想生成0%占空比可由普通PWM生成。硬件上不允许单边计数模式下实现占空比的高精度模式控制。

2.3 Up-Down模式下高精度PWM的寄存器加载时刻仅Zero-Period生效

如下Note提示, 双边计数Up-Down模式下高精度控制影子寄存器加载仅在ZERO AND PERIOD生效, HRPWM模块在过周期处用于内部特殊逻辑计算而不进行加载。单边计数Up模式无此限制要求。此外单边Down模式下是不支持高精度HRPWM操作。

3.结论

高精度模式的控制实现与普通PWM配置有差异，总结来说有以下几点：1.CMPAHR负责Channel A上的高精度控制, CMPBHR负责Channel B上的高精度控制;2. HRPWM寄存器的生效时刻需要注意；3. 死区和占空比高精度实现的模式会对计数方式有要求；4. 单独某一个Channel A上实现高精度会造成另外Channel B上的影响，不过仅±1 TBCLK；5. HRPWM高精度模式控制最高分辨率150ps, 可实现占空比Duty、死区DBREDHR和DBFEDHR、相移TBPHSHR和周期值TBPRDHR的高精度模式控制。以上不限于为高精度模式的使用与注意事项。

参考文献

[1] TMS320x280x, 2801x, 2804x High Resolution Pulse Width Modulator HRPWM

[2] High Resolution PWM (HRPWM) Extension to ePWM Reference Guide

[3] TMS320F280013x Real-Time Microcontrollers Technical Reference Manual. -spruix1

[4] TMS320F28003x Real-Time Microcontrollers Technical Reference Manual. - spruiw9a

[5] TMS320F28004x Real-Time Microcontrollers Technical Reference Manual. -SPRUI33D

技术文章

嵌入式处理

使用HRPWM的注意事项

1.高精度PWM的工作原理 (HRPWM)

2. 高精度PWM的注意事项

3.结论

参考文献