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)更先進的控制算法，在進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)用進行了優(yōu)化，具有先進的架構(gòu)特性，增強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)和強大的 CPU 內(nèi)核，控制環(huán)路運行更緊密，既改進了控制算法的動態(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 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 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，因為該DAC 可作為峰值電流模式跳閘點的斜坡發(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)
因為 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立的 USB 到 JTAG 接口，從而在為開發(fā) PC 提供保護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。
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 進入 HiZ 模式)。 運行 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，因為達到了比較器的高閾值，PWM會跳閘，LED 的亮度會達到最大且 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 硬件上實際運行的 VisSim 圖。在針對閾值水平對比較器 DAC 進行初始化時，對于比較器-1，我們使用定點常數(shù) 0.1，對于比較器-2，我們使用定點常數(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 編程解決方案詳細了解了這些功能的設(shè)置并進行了相關(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)字電源和電機控制庫。
有關(guān)使用內(nèi)部比較器和斜率補償 DAC 進行峰值電流模式控制的詳細信息，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
具有斜率補償?shù)臄?shù)字峰值電流模式控制，使用 TMS320F2803x - Ali Shirsavar 博士和 Richard Poley
