使用微控制器集成模擬比較器以提供電源保護(hù)并降低電路板空間

簡介

現(xiàn)在，越來越多的設(shè)計師開始轉(zhuǎn)向電子微控制器，以在電機(jī)控制和數(shù)字電源系統(tǒng)中控制功率級。 使用微控制器（例如德州儀器 (TI) 的 C2000™ Piccolo™ 微控制器）的集成模擬比較器功能可以保護(hù)系統(tǒng)電源，同時也可使設(shè)計師減少板級所需的外部模擬組件的數(shù)量。在此類電機(jī)控制和數(shù)字電源系統(tǒng)中，在微控制器自身發(fā)生執(zhí)行錯誤的情況下防止發(fā)生過壓或欠壓時，設(shè)計師仍局限于模擬域。 通過使用 TI C2000 Piccolo 微控制器系列的集成模擬功能，可以圍繞單個控制器來設(shè)計系統(tǒng)，而不需要外部支持電路。這主要涉及使用模擬比較器來監(jiān)控功率級模擬域中的過壓或欠壓以及過流或欠流事件。

Piccolo 微處理器的優(yōu)勢

Piccolo 微控制器使用了 TI 的高性能 TMS320C28x™ 內(nèi)核，可提供以單一獨(dú)立控制器控制系統(tǒng)時所需的所有性能和外設(shè)。 通過充足的余量和專用外設(shè)，Piccolo 微控制器使開發(fā)人員能夠?qū)崿F(xiàn)更先進(jìn)的控制算法，在進(jìn)一步提高性能的同時降低系統(tǒng)成本。

Piccolo 微控制器架構(gòu)已針對數(shù)字控制應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，具有先進(jìn)的架構(gòu)特性，增強(qiáng)了高速信號處理能力。 Piccolo 的主 CPU 內(nèi)核具有單周期 32×32 位乘法及累積單元等內(nèi)置數(shù)字信號處理 (DSP) 功能，大幅度提高了計算速度。此外，諸如模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和脈寬調(diào)制器 (PWM) 等控制外設(shè)設(shè)計得非常靈活，能夠輕松適應(yīng)幾乎任何用途，而需要的軟件開銷極小。 例如，ADC 具有自動序列發(fā)生器允許開發(fā)者進(jìn)行編程，以循環(huán)通過特定次序的樣本，這樣當(dāng)應(yīng)用程序需要時值已就緒。 使用更智能的控制外設(shè)和強(qiáng)大的 CPU 內(nèi)核，控制環(huán)路運(yùn)行更緊密，既改進(jìn)了控制算法的動態(tài)特性，又減少了干擾行為。

重要的 Piccolo MCU 特性包括：

• 40 至 90 MIPS 的處理性能
• 3.3-V 單電源支持全部功能的運(yùn)行
• 雙內(nèi)部高精度振蕩器；無需外部晶體
• 12 位 ADC 具有 16 通道，最大取樣頻率為每秒 4.6 兆樣本
• 多達(dá) 19 通道的 PWM 輸出，具有可配置自動死區(qū)
• 19 個 PWM 通道中有多達(dá) 8 個可以在高分辨率模式下工作，其可以低至150 皮秒
• 集成模擬比較器直接連接在專用輸入和 PWM 輸出(以及專用輸出通道）之間，從而不需要外部模擬組件

Piccolo MCUs集成模擬比較器

TI 的 Piccolo 微控制器系列提供了兩至三個模擬比較器，具體視器件系列而定。 在本文中，我們將關(guān)注 F2802x Piccolo 微控制器系列，該系列配備了兩個比較器。 雖然這兩個比較器都集成到了數(shù)字器件中，但它們的工作方式與傳統(tǒng)的 30nS 模擬比較器類似。 這兩個比較器與 F2802/3x/6x 微控制器的內(nèi)部時鐘

不同步 – 只要器件自身有電，比較器塊就能正常工作。 這兩個比較器擁有兩個輸入（這與標(biāo)準(zhǔn)的模擬比較器類似，但是它們通過模擬輸入/輸出 (AIO) mux 與器件引腳連接），而且具有額外的能力，即通過使用器件上的內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 為電壓提供內(nèi)部參考。 該內(nèi)部 DAC 功能在峰值電流模式控制等數(shù)字功率級應(yīng)用中非常重要，因?yàn)樵揇AC 可作為峰值電流模式跳閘點(diǎn)的斜坡發(fā)生器。 比較器塊的輸出也可通過連接至 PWM跳閘區(qū)域而被器件內(nèi)部使用，或通過 GPIO mux 而被外部參考。 本白皮書將重點(diǎn)放在F2802x 器件系列上，但是內(nèi)部比較器功能同樣也可轉(zhuǎn)換用于 F2803x 和 F2806x Piccolo 系列。

將比較器用于外部 (用于F2802x Piccolo微控制器)

因?yàn)?Piccolo F2802x 微控制器內(nèi)部的比較器是作為真正的模擬組件而實(shí)施的，因此它們可被用于處理器外部的控制功能。 參閱下面的圖 1，可以在通用輸入/輸出 (GPIO) mux 中進(jìn)行更改以將比較器的輸出連接至外部器件引腳。 我們可以通過 GPIO mux 讓比較器在器件外部輸出有源高信號或低信號，而不是讓比較器觸發(fā)內(nèi)部 PWM 事件（例如用于“峰值電流模式控制”時）。 模擬輸入跳閘點(diǎn)的特性可作為內(nèi)部或外部參考，其最大輸入為3.3 伏。


圖 1. 通過 GPIO mux 中的更改所實(shí)現(xiàn)的比較器輸出。

我們來看其中的一個應(yīng)用案例：對于在功率級中使用模擬控制器的系統(tǒng)，當(dāng)將F2802x Piccolo 微控制器用作“維護(hù)管理”微控制器時，可減少板級組件的數(shù)量。 這與在數(shù)字控制系統(tǒng)中的使用大致相同，當(dāng)與帶有啟用或禁用引腳的電源器件共同使用時，模擬比較器功能可以用于啟用或禁用功率級。 在許多情況下，也可使用模擬比較器使系統(tǒng)中的繼電器跳閘或是啟動特定的處理器任務(wù)。 現(xiàn)在我們可以將這些功能集成到微控制器自身當(dāng)中，而不用通過外部器件實(shí)現(xiàn)這些功能，從而可節(jié)省電路板空間和成本。

演示F2802x Piccolo微處理器上的模擬比較器

我們已經(jīng)了解了 Piccolo F2802x 微控制器系列內(nèi)部模擬比較器的結(jié)構(gòu)和設(shè)置，現(xiàn)在，我們將關(guān)注如何在 TI C2000 LaunchPad 評估套件的開發(fā)環(huán)境中使用這些比較器。C2000 LaunchPad 是一款低成本的評估套件，它配備了 F28027 Piccolo 微控制器。C2000 LaunchPad 配備了引腳接頭，這些引腳接頭使設(shè)計師能夠測試 C2000 微控制器的各種模擬和數(shù)字輸入及輸出。 該套件還包含了一個獨(dú)立的 USB 到 JTAG 接口，從而在為開發(fā) PC 提供保護(hù)的同時卻無需使用昂貴的外部仿真器硬件。 對于本例中的軟件設(shè)置，我們將演示由 Visual Solutions, Inc. 提供的基于模型的VisSim 嵌入式圖形化軟件工具?？蓮脑摴揪W(wǎng)站 www.vissim.com 上直接下載 VisSim的兩個月免費(fèi)試用版。

測試案例 – 外部參考的比較器事件觸發(fā) PWM 事件

在這個使用 C2000 LaunchPad 的測試案例中（圖 2），我們有一張非常簡單的 VisSim圖，它生成 25Khz 的 PWM 信號，用以驅(qū)動 GPIO0 和 GPIO1；它還有外部參考的比較器信號，該信號可觸發(fā)一對相應(yīng)的高 PWM 和低 PWM 事件以及 GPIO 跳閘。 下面的示例是 VisSim 圖的屏幕截圖，圖中用藍(lán)色和綠色表示比較器輸出級別，用黃色表示應(yīng)用于輸入 A 比較器引腳的電壓。 在 VisSim 圖中，已對輸入電壓進(jìn)行歸一化，以將VDDA 表示為 1。 在 C2000 LaunchPad 上，VDDA 設(shè)置為 3.3。 如圖所示，我們使輸入信號在 0 和 3.3 V 間循環(huán)。

在 VisSim 圖中，比較器-1 DAC 被設(shè)置為 0.1 滿標(biāo) (0.33V)，比較器-2 DAC 被設(shè)置為 0.9 滿標(biāo) (2.97V)。 在與輸入電壓所在的同一子圖中，DAC 值以紅色圖形表示，其目的是當(dāng)比較器發(fā)生跳閘時，DAC 值能夠顯而易見。 此外，我們對比較器-1 進(jìn)行了配置，當(dāng)輸入電壓低于 0.33V 的 DAC 值時，它將完全打開 PWM。 我們也對比較器-2進(jìn)行了配置，當(dāng)輸入電壓超過 2.97V 時，它將完全關(guān)閉 PWM，此外，它還可使 GPIO-3 跳閘（發(fā)生比較器事件時，硬件也允許 PWM 進(jìn)入 HiZ 模式）。 運(yùn)行 VisSim 圖時，如果所提供的電壓在比較器的正常范圍內(nèi)，或如果沒有電壓應(yīng)用于 ADCIN2 或 ADCIN4，則 C2000 LaunchPad 上的 LED 將顯示為中等亮度。 因此，當(dāng)輸入電壓低于 0.33V時，LED 將 熄滅，當(dāng)輸入電壓高于 2.97V 時，LED 的亮度將達(dá)到最大。 由于我們還需要對比較器輸入和輸出的使用情況進(jìn)行演示，因此 COMP2DAC 的輸出也連接到了GPIO3。 當(dāng)觸發(fā) F28027 Piccolo 微控制器外部的事件時，例如關(guān)閉外部功率級時，它可以指示使用情況。當(dāng)我們將 ADCINA4 連接至 3.3V 時，最右邊的兩個 LED 的亮度將達(dá)到最大，同時，位于最左邊的 GPIO3 上的 LED 將熄滅。 這表示比較器在高位觸發(fā)GPIO3。 我們還可在引腳 J1-5 上使用示波器，當(dāng)我們將 3.3V 連接至引腳 J1-6 或?qū)⑵鋸脑撘_上斷開時，我們會看見邏輯電平發(fā)生改變。

如果無法獲得可變電壓源，您可以在 GND 引腳和 ADCIN2 之間連接一根跳線（從J5-2 到 J1-8 的跳線），在此情況下，PWM 將會因輸入電壓過低而跳閘且 LED 將熄滅。 如果我們斷開該跳線，LED 的亮度將恢復(fù)為中等亮度。 然后，我們可以將 3.3V連接至 ADCIN2（從 J1-1 到 J1-6 的跳線），此時，因?yàn)檫_(dá)到了比較器的高閾值，PWM會跳閘，LED 的亮度會達(dá)到最大且 GPIO-3 上的 LED 將熄滅。 重新拆下該跳線將使LED 恢復(fù)為中等亮度，而 C2000 LaunchPad 最左邊 GPIO-3 上的 LED 將亮起。


圖 2. 影響 VisSim 微控制器的 PWM 輸出的兩個比較器觸發(fā)事件的 VisSim 圖。

下面的圖（圖 3）是在 C2000 LaunchPad 硬件上實(shí)際運(yùn)行的 VisSim 圖。在針對閾值水平對比較器 DAC 進(jìn)行初始化時，對于比較器-1，我們使用定點(diǎn)常數(shù) 0.1，對于比較器-2，我們使用定點(diǎn)常數(shù) 0.9。 (0.1@Fx6,16 對應(yīng)于0.33V，0.9@Fx6,16 對應(yīng)于 2.97V。） C2000 LaunchPad 將支持 GND 和 3.3V之間的 ADC 輸入。

請注意，在本示例中，我們可以設(shè)置包含 PWM 單元、ADC 輸入、比較器和相應(yīng)的 GPIO 輸出事件在內(nèi)的整個結(jié)構(gòu)，而不用編寫任何代碼。


圖 3. 在 C2000 LaunchPad 硬件上運(yùn)行的 VisSim 圖

可以在 VisSim 中獲取這個在 C2000 LaunchPad 上測試比較器功能的示例，方法是轉(zhuǎn)到 Embedded->Examples->Piccolo->Launchpad，然后選擇任一 PWMComparatorTRIP2。

結(jié)論

在本文中，我們討論了通過 Piccolo 微控制器單元的模擬比較器功能，在增加系統(tǒng)功能的同時減少外部組件需求的可能性，這種可能性的實(shí)現(xiàn)有助于節(jié)省成本和電路板空間。 我們還通過成本低廉的 C2000 LaunchPad 平臺和完全圖形化的 VisSim 編程解決方案詳細(xì)了解了這些功能的設(shè)置并進(jìn)行了相關(guān)演示。

了解更多信息

更多有關(guān)應(yīng)用、硬件和軟件的示例，請參閱 TI 的 controlSUITE™ 軟件。 這個可下載的GUI 軟件擁有基于 C2000 的開發(fā)工具、應(yīng)用手冊、設(shè)計指南、硬件原理圖和軟件示例，包括與 F2802x Piccolo 系列微控制器兼容的數(shù)字電源和電機(jī)控制庫。 請從以下網(wǎng)址下載此軟件：www.ti.com/controlsuite 。

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有關(guān)使用內(nèi)部比較器和斜率補(bǔ)償 DAC 進(jìn)行峰值電流模式控制的詳細(xì)信息，請參閱以下技術(shù)應(yīng)用手冊：
數(shù)字峰值電流模式控制的分步設(shè)計指南： 單芯片解決方案 - Ali Shirsavar 博士
具有斜率補(bǔ)償?shù)臄?shù)字峰值電流模式控制，使用 TMS320F2803x - Ali Shirsavar 博士和 Richard Poley