基于eFlexPWM的多级串联载波移相脉宽调制技术实现

参考方案简介

随着电力电子技术的发展，电力电子交直流变换装置应用日益广泛，移相载波技术可以有效的减小PWM调制过程中产生的谐波，被广泛应用到多相多电平等场合。 本文描述了使用eFlexPWM实现多级串联载波移相PWM输出的逻辑、外设配置及实现方法。 本参考设计主要向读者介绍了eFlexPWM强大功能，并给出了六路互补移相60°的PWM实例作为参考，可以指导客户快速实现想要的PWM输出模式。

eFlexPWM简介

eFlexPWM全称是：Enhanced Flex Pulse Width Modulator的缩写，直译为增强型灵活脉冲脉宽调制器。 i.MX RTxxxx系列一般具有1-4个强大的eFlexPWM(eFlexPWM1~eFlexPWM4)模块。每个eFlexPWM有4个子模块，可以产生四路互补PWM即产生8路PWM，也可以产生8路相互独立的PWM波。

每个eFlexPWM模块拥有一个向上计数的16位计数器，它仅在向上方向计数至VAL1值，然后重置为初始(INIT)值。在计数过程中，计数值与VAL2/VAL3/VAL4/VAL5寄存器中的值作比较，控制输出电平高低翻转。

PWM又有中心对齐、边沿对齐、移相和双开关模式。

每个eFlexPWM具有各自的故障检测电路，当故障发生时根据程序锁定PWM输出引脚的电平状态，这在逆变、整流及电机控制应用中能够有效的提高设备的安全性。eFlexPWM可以产生多种多样的开关模式，包括非常复杂的波形。它可以用来控制大部分已知的电机类型，用于控制开关电源也非常具有优势。

eFlexPWM主要特点

eFlexPWM脉宽调制器的主要特点如下：

16位精度，支持中央对齐、边沿对齐和非对称PWM输出；

分数PWM时钟生成器可生成高精度PWM周期和占空比；

可工作在互补输出模式或独立工作模式；

每个PWM输出双沿（上升沿/下降沿）可独立控制；

可与外部硬件或其他PWM子模块同步；

双缓冲PWM寄存器，可设置1~16的整数周期重载或半周期重载；

支持PWM输出的双切换（周期和占空比）；

一个PWM周期可以产生多个输出触发事件；

故障输入可以指定连接控制多个PWM输出；

独立的可编程PWM输出极性设置；

独立的死区时间设置；

增强型双沿（上升沿/下降沿）捕获功能。

PWM子模块功能图

图1 PWM子模块功能框图

图中各个部分说明如下：

1是时钟源模块，可以选择不同的时钟源；

2是16位计数器；

3是同步寄存器，有四个同步信号供选择，可以初始化计数器，可以方便的和外部同步；

4是比较器，用于产生PWM波，每个子模块有6个比较寄存器，可以产生三路的PWM。

5和7是重装载选择器，可以用来选择重装载寄存器和N个PWM周期或者半周期重装载。

6是输出控制模块，比较器产生的PWM23与PWM45经过这些控制模块转变成PWM_A和PWM_B。主要包含互补控制，死区补偿，故障保护等功能。

多级串联PWM的实现

每个eFlexPWM子模块有一个外部同步信号输入，和两个触发信号输出。外部同步输入信号允许外部的信号源来初始化PWM计数器。通过这种方式，eFlexPWM子模块的行为可以与外部电路同步。

两个触发信号输出可以去控制其他模块的行为，例如在特定的时刻触发ADC采样。

本文将使用输出触发信号去触发其他eFlexPWM子模块。

两个输出触发信号分别由不同的寄存器值比较产生。当PWM计数器匹配val0、val2或val4时，TRIG0被置位。当PWM计数器匹配val1、val3或val5时，TRIG1被置位。计数器发生匹配事件后延迟两个clock的后输出触发信号。

图2 PWM子模块外部同步输入和Trig输出

在一些电源应用中，需要多路PWM输出，并且需要彼此之间有固定相移，此时就能充分凸显i.MX RT系列eFlexPWM强大的性能。

下面我们通过输出六路互补且彼此之间相差60°相移的PWM为实例，详述eFlexPWM使用方法和配置。

实例要求

下面以一个具体实例来介绍，方便读者理解和运用eFlexPWM模块。

具体的实例要求如下：

PWM频率为10KHz

六路互补PWM输出

两路之间移相60°

6路PWM输出的逻辑如下图所示：

图3 6路PWM相移图

eFlexPWM子模块组合

用6个eFlexPWM子模块级联，每个子模块输出一路互补的PWM，因为每个eFlexPWM子模块都有一个独立的计数器，因此实现起来比较方便。

图4 eFlexPWM子模块串联

通过每个前级子模块的TRIG0去触发后级子模块，我们通过设置前级子模块Val4的值来灵活的设定触发后级子模块的时刻。

经过这样的组合，可以进行0-360°任意相位的相移，读者可以很方便的调节成自己想要的相移。不需要复杂的软件操作，通过寄存器可以方便实现，减小了CPU的开销。

时序逻辑

图5给出了载波移相的逻辑，从图中我们可以看到六路PWM载波信号依次移相60°，后级子模块由前级子模块在特定时刻触发。通过载波的移动，载波和比较器比较后产生的PWM也就产生了相应的相移。 图5 时序逻辑

从图5中可以看出每个后级子模块都由前级的TRIG0触发产生的，只要设定好触发时刻，就可以得到所预想的相移。

后级子模块检测到前级子模块的TRIG0触发信号后，会用两个clock时钟去同步。再加上TRIG0输出前有两个clock的延迟，所以总共会有4个clock的延迟，后面实验结果可以验证。

测试结果

考虑到前级触发后级的延迟，本文进行了实际测量和分析，如图6所示测量两相之间的时间间隔。

图6 PWM 相移间隔图

测量三次P1-P6的相位偏移时间，结果如下：

表1 P1-P6的相位偏移时间

因为本实例中PWM频率是10Hz，所以P1-P6的理论间隔时间是16.667us（60°）。下表给出了实测和理论值的误差。

表2 P1-P6的相位误差

从测试结果我们可以看出，实测结果后级子模块比理论有了30ns的延迟。这样从初级子模块，到最后级子模块，误差不断积累，最后会导致最后级子模块有150ns的延迟。如果级数更多，则误差会更大。

因此我们需要一些方法进行补偿。

延迟补偿方案

因为每个后级子模块的延迟都是固定的，所以我们可以通过把触发时刻前移固定时长的方法补偿此延迟。

根据PWM clock频率和延迟时间我们可以计算出需要补偿的计数值。

counter=delay_Time*PWM_Clock

本实例中PWM clock的频率是132M，延迟是30ns，从而计算出需要补偿的数值约等于4。

在程序中补偿后，测量两相波形相移如下图所示：

图6 补偿后的PWM移相图

从图中可以看出两相移相时间是16.664和理论值非常接近，考虑到测量误差，已经基本达到设置的目标。这样就完美的解决了延迟的问题。从而就实现了多级串联载波移相的PWM输出。

审核编辑：汤梓红