簡介

    現(xiàn)在，越來越多的設(shè)計(jì)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(jí)。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(shí)也可使設(shè)計(jì)師減少板級(jí)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(cuò)誤的情況下防止發(fā)生過壓或欠壓時(shí)，設(shè)計(jì)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(gè)控制器來設(shè)計(jì)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(jí)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(shì)

    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(shí)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(shí)降低系統(tǒng)成本。

     Piccolo 微控制器架構(gòu)已針對(duì)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(hào)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(hào)處理(DSP) 功能，大幅度提高了計(jì)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(jì)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)死區(qū)

• 19 個(gè)PWM 通道中有多達(dá)8 個(gè)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(gè)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(gè)比較器。雖然這兩個(gè)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(gè)比較器與F2802/3x/6x 微控制器的內(nèi)部時(shí)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(gè)比較器擁有兩個(gè)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(jí)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)镻iccolo 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(hào)或低信號(hào)，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(shí)）。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(gè)應(yīng)用案例：對(duì)于在功率級(jí)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(shí)，可減少板級(jí)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(shí)，模擬比較器功能可以用于啟用或禁用功率級(jí)。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(dòng)特定的處理器任務(wù)?，F(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(píng)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(píng)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(jì)師能夠測(cè)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(gè)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(shí)卻無需使用昂貴的外部仿真器硬件。對(duì)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(gè)月免費(fèi)試用版。

測(cè)試案例– 外部參考的比較器事件觸發(fā)PWM 事件

    在這個(gè)使用C2000 LaunchPad 的測(cè)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(hào)，用以驅(qū)動(dòng)GPIO0 和GPIO1；它還有外部參考的比較器信號(hào)，該信號(hào)可觸發(fā)一對(duì)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(jí)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(duì)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(hào)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(shí)，DAC 值能夠顯而易見。此外，我們對(duì)比較器-1 進(jìn)行了配置，當(dāng)輸入電壓低于0.33V 的DAC 值時(shí)，它將完全打開PWM。我們也對(duì)比較器-2進(jìn)行了配置，當(dāng)輸入電壓超過2.97V 時(shí)，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(shí)，硬件也允許PWM 進(jìn)入HiZ 模式）。運(yùn)行VisSim 圖時(shí)，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(shí)，LED 將熄滅，當(dāng)輸入電壓高于2.97V 時(shí)，LED 的亮度將達(dá)到最大。由于我們還需要對(duì)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(shí)，例如關(guān)閉外部功率級(jí)時(shí)，它可以指示使用情況。當(dāng)我們將ADCINA4 連接至3.3V 時(shí)，最右邊的兩個(gè)LED 的亮度將達(dá)到最大，同時(shí)，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(shí)，我們會(huì)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(huì)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(shí)，因?yàn)檫_(dá)到了比較器的高閾值，PWM會(huì)跳閘，LED 的亮度會(huì)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(gè)比較器觸發(fā)事件的VisSim 圖。

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

    請(qǐng)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(gè)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(gè)在C2000 LaunchPad 上測(cè)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(shí)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(tái)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(qǐng)參閱TI 的controlSUITE™ 軟件。這個(gè)可下載的GUI 軟件擁有基于C2000 的開發(fā)工具、應(yīng)用手冊(cè)、設(shè)計(jì)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(qǐng)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(qǐng)參閱以下技術(shù)應(yīng)用手冊(cè)：

數(shù)字峰值電流模式控制的分步設(shè)計(jì)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