簡介

    現(xiàn)在,，越來越多的設計師開始轉向電子微控制器,，以在電機控制和數字電源系統(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,，同時也可使設計師減少板級所需的外部模擬組件的數量,。在此類電機控制和數字電源系統(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,。通過充足的余量和專用外設，Piccolo 微控制器使開發(fā)人員能夠實現(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 微控制器架構已針對數字控制應用進行了優(yōu)化，具有先進的架構特性,，增強了高速信號處理能力,。Piccolo 的主CPU 內核具有單周期32×32 位乘法及累積單元等內置數字信號處理(DSP) 功能，大幅度提高了計算速度,。此外,，諸如模數轉換器(ADC) 和脈寬調制器(PWM) 等控制外設設計得非常靈活，能夠輕松適應幾乎任何用途,，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,，這樣當應用程序需要時值已就緒。使用更智能的控制外設和強大的CPU 內核,，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（這與標準的模擬比較器類似,，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部數模轉換器(DAC) 為電壓提供內部參考。該內部DAC 功能在峰值電流模式控制等數字功率級應用中非常重要,，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,，但是內部比較器功能同樣也可轉換用于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用案例：對于在功率級中使用模擬控制器的系統(tǒng)，當將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量,。這與在數字控制系統(tǒng)中的使用大致相同,，當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。現(xiàn)在我們可以將這些功能集成到微控制器自身當中,，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

    我們已經了解了Piccolo F2802x 微控制器系列內部模擬比較器的結構和設置,，現(xiàn)在，我們將關注如何在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,，這些引腳接頭使設計師能夠測試C2000 微控制器的各種模擬和數字輸入及輸出,。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站www.vissim.com 上直接下載VisSim的兩個月免費試用版,。

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 被設置為0.1 滿標(0.33V),，比較器-2 DAC 被設置為0.9 滿標(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，當輸入電壓超過2.97V 時,，它將完全關閉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,，或如果沒有電壓應用于ADCIN2 或ADCIN4,，則C2000 LaunchPad 上的LED 將顯示為中等亮度。因此,，當輸入電壓低于0.33V時,，LED 將熄滅，當輸入電壓高于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,。當觸發(fā)F28027 Piccolo 微控制器外部的事件時,，例如關閉外部功率級時，它可以指示使用情況。當我們將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，當我們將3.3V 連接至引腳J1-6 或將其從該引腳上斷開時,，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,。

    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0.1，對于比較器-2,，我們使用定點常數0.9,。(0.1@Fx6,16 對應于0.33V，0.9@Fx6,16 對應于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,，我們可以設置包含PWM 單元,、ADC 輸入、比較器和相應的GPIO 輸出事件在內的整個結構,，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,，方法是轉到Embedded->Examples->Piccolo->Launchpad，然后選擇任一PWMComparatorTRIP2,。

結論

    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置并進行了相關演示。

了解更多信息

    更多有關應用,、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,、應用手冊,、設計指南、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字電源和電機控制庫,。請從以下網址下載此軟件：www.ti.com/controlsuite 。

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   有關使用內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,，請參閱以下技術應用手冊：

數字峰值電流模式控制的分步設計指南：單芯片解決方案- Ali Shirsavar 博士

具有斜率補償的數字峰值電流模式控制,，使用TMS320F2803x - Ali Shirsavar 博士和Richard Poley