开发者分享 | HPM6P41BuckBoost开发板之（一）硬件设计篇

Alipay

作为一名电力电子与电力传动专业的准研究生，以浓厚的兴趣为驱动，成为了一位热衷于DIY创作的动手能手。长期活跃于各类电气控制比赛，酷爱钻研前沿技术，并沉浸于从方案构思、设计实现到调试验收的全过程，享受将创意化为现实的成就感。

前 言

在国产MCU日益发展的当下，作者通过视频宣传，群友推荐等渠道了解到了先楫半导体（HPMicro）,也通过HPM出售的各种EVK（6750EVKMini、5300EVK、6E00EVK等）体验过HPM带来的高性能体验；不过，限于EVK的设计目的，部分引脚被板上的外设占用，所以作者决定以HPM最近发布的HPM6P00系列为基础，设计一款电力电子方向的开发板 尽管6P00的运动控制系统精心设计，性能优异，但是我仍然选择了四开关BuckBoost（也称同相BuckBoost）作为开发板的主体功能，这是因为作者曾以此作为毕业设计题目，进行过一定研究，预计可以减少设计过程中的谬误，且硬件闭环等功能经过恰当配置也许可以应用于本项目。

拓扑简介

四开关BuckBoost变换器，是一种兼具升降压能力的非隔离DCDC变换器，通过不同的开关组合导通控制实现电

压变换，根据设计不同具有多种控制模式，在输入输出变化时能够平顺过渡切换，同时保持较高效率。

HPM6P00简介

HPM6P00系列保持了HPM系列MCU一贯的高性能设计，最高可支持双核600MHz，对于主打的运动控制也是下足本事，配备的100ps分辨率的PWM与2Msps 16bit的ADC是实现精确控制的基础，还有硬件闭环、硬件逻辑、各种

编码器接口与数字接口也对电机控制等应用能提供巨大便利。

预期设计指标

硬件：原理图设计

PM提供了KiCad符号与封装库，故本项目基于KiCad设计实现HPM Pin Mux Tool是在线引脚/时钟配置工具，能有效加速原理图设计和程序开发，还具有账号登录在线保存，分享码共享工程的功能，非常方便。PinMuxTool以函数为单位，通过创建不同的函数，并在其中配置引脚的复用功能来生成对应的初始化代码。

从下图可以看到HPM的PinOut还是一如既往的整齐，单个外设的功能引脚分组往往都是就近引出，有利于PCB绘制的布线。

MCU部分

* 电 源

HPM的电源域在设计时需要提供内核电压（VDD_SOC）、IO电压（VDD_IO）、模拟域电压（VANA）、模拟参考电压（VREFH、VREFL），并为片内LDO提供外部去耦电容。

各电源输入输出串接了磁珠，与去耦电容形成低通滤波，提高电源质量，本项目设计时不同电源域接入了不同名称的地网络，但在根页对不同地网络进行了短接，如有切割地平面需求，可以方便修改。

在设计时主要参考了数据手册及HPM6P00EVK原理图。

MCU各电源域

每个VIO引脚放置一个100nF去耦电容。

* 时钟与复位

6P00系列对时钟频率有固定要求，需要24MHz的外部晶振或50%占空比的24MHz固定时钟用以驱动内部PLL产生各模块所需的频率。

复位引脚连接到按键与JTAG接口，通过RC电路实现上拉+消抖功能。

对于MCU的BOOT0与BOOT1，6P00EVK中未做上下拉处理，此处相同。

*JTAG

JTAG引脚为PA4~PA7，连接了适当的终端电阻与上下拉电阻，通过20p简易牛角座连接到外部调试器。

辅助电源

开发板辅助电源分为四级，其中LM5164原理图通过TI提供的Power Designer工具设计，其他DCDC、LDO电路均为典型用法或简单设计，在此不作过多阐述。

部分辅助电源原理图：

功率电路

参考设计指标计算功率电感和输入/输出电容容值：

如上条件在Buck模式下电感最小取值应为2.016μH

如上条件在Boost模式下电感最小取值应为2.4μH

综合考虑纹波电流与电感感量，在实际中应视负载情况选用2.2~10μH范围的功率电感，在本项目中，根据计算条件选择CoilCraft的VER2923系列中10μH的功率电感，该系列具有低DCR与高Isat，且适当提高的感量能降低ΔIL，能够满足本项目设计指标之需求。

* 输入/输出电容

Buck模式输出电容计算公式：

Boost模式输出电容计算公式：

各取其最大值发现均为20μF左右，考虑到后续设计冗余和可能的变频需求，将输入输出电容定位两颗100μF电解电容+一颗1μF MLCC电容并联。

功率电路原理图

驱动电路

驱动电路由UCC27211A半桥驱动和电荷泵供电电路组成。

选择UCC27211A主要是看中其无输入互锁，能够发挥PWMv2外设的死区功能，具有强大的驱动推挽电流（4.5A/3.7A），和较低的传播延迟，且封装与2EDL8024G等高性能栅极驱动通用，便于探索不同的选型搭配。在半桥驱动的输入串接了终端电阻，用以提升信号匹配程度，优化PWM信号边沿。

电荷泵供电电路让两侧上管在四开关的纯Buck和纯Boost模式下具有长时间导通能力，能够简化控制模型，避免在特定情况下产生额外的开关损耗。通过两颗UCC27517提供PWM，与开关节点形成电荷泵，输出两倍开关节点电压以保证上管（Q1 Q3）始终获得足够的Vgs。考虑到电荷泵电压可能过高，在其输出串接了限流电阻和稳压管保护Vgs不超过额定值。

电荷泵PWM由PWM2外设提供控制信号，可以通过互补、移相等手段让两个PWM源交替发波，降低瞬时电流需求；与此同时还接入了MCU控制的使能引脚，可以在不需要电荷泵供电时停止其运行，降低板上耗电，略微提高效率。

采样电路

开发板上共有四路模拟信号供ADC采样，每路ADC均在管脚较近处放置了RC电路，对于SAR-ADC，紧贴管脚的RC电路是必须的，因为其内部采样电容在开启瞬间会造成外部电压跌落，如果没有RC中的C提供足够的电容补偿跌落，将会导致采样结果波动极大，而RC中的R是防止跌落的电压信号反冲到前级运放造成震荡，RC共同构成了SAR-ADC前级的一部分，而不只是低通滤波器。

采样管脚前的RC电路

* 电流采样

采样电阻如前文图示串接在开关桥臂到滤波电容之间，能够等效采集电感电流，且两侧电压受到电容约束，能

够保证共模跃变电压符合采样放大器（INA241）要求，提高电流采样可靠性。

考虑到设计指标的20A电流输出能力、封装热耗散功率和采样放大器提供的放大倍数，采样电阻选用了1mΩ 5W 2725/2726封装的锰铜电阻，采样放大器采用了1.1MHz小信号带宽、50V/V增益的INA241A3，尽可能提高了电流采样的模拟带宽以适配500kHz的较高开关频率。

此版本的遗憾之处是未引出片上比较器，如果将电流信号与DAC信号共同输入比较器，配合TRGM、PWM等外设可以实现硬件峰值电流模式控制，而此处仅实现了平均电流模式控制。

* 电流采样

在本项目设计中，由于是电流电压双环设计，所以电压采样的跟随器不需太高性能，所以电压采样选择SGM8551作为ADC前级跟随器，此运放的特点是典型12μV的失调电压，尽管slew rate较低，但仍具有足够的带宽（1.48MHz）。

采样电路原理图

接口电路

开发板的接口电路不是开发板重点内容，因此仅做简单介绍。

* USB接口

USB HS是HPM所有MCU的标配，配合易于移植使用的cherryUSB例程，能够便捷实现USB CDC等功能，可以编

写配套的上位机共同调试运行，在本项目中提供了USB Type-B和Type-C接口，主要看重了B口的坚固耐用和C口的便利性，不过在作者实际调试中已经考虑将B口换为A口。VBUS被连接到MCU的对应管脚，供USB外设使用。

作者还放置了ESD阵列用于保护可能与之相连的PC。

* CAN/485接口

两个总线接口在绘制PCB时位于整板右侧，SY8089提供的3.3V不便穿过，所以为其单独设置了ME6206为485PHY和CAN PHY的VIO提供3.3V电压。

对于总线侧，在信号进入两个PHY之前需经过ESD二极管、共模电感、终端电阻、对地的滤波电容，能够尽可能

保证通信可靠性。

*SMA接口（TRGM）

开发板上具备两个SMA接口，用于收/发TRGM信号，该接口可用于示波器采样同步或多板间并联同步信号，具体用法多样，可以根据实际情况配置TRGM开发使用。

由于TRGM信号多为窄脉冲，单个脉宽可能仅有5e-8秒，因此属于高速信号，在原理图中为其设置了匹配电阻，需要根据实际使用时的收发角色设置来焊接不同的电阻，同时在PCB设计中考虑其阻抗匹配。

杂 项

板载的IIC设备均挂载在同一条总线，经计算使用2K上拉能够满足1Mbps总线速率对上升沿的要求。

结 语

本章基于HPM6P00的丰富外设与高性能特性，剖析了四开关BuckBoost开发板的硬件设计思路与实现细节。从宽范围输入/输出电压的功率拓扑选型，到电源管理、驱动电路、采样电路及各类接口的原理图设计和关键器件选型，在设计层面保证了系统在12~75V、20A电流、高达500 kHz开关频率下的运行。通过合理的采样滤波和保护电路，本开发板已具备实现良好的性能指标的硬件条件及可扩展性，为后续PCB布局优化与固件功能开发奠定了坚实基础。

下一章将着重介绍 PCB 版面设计与布线策略，以进一步提升整板的电气性能与可靠性。