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(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(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(shù)量。 這與在數(shù)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(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,?？蓮脑摴揪W(wǎng)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(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(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 （0.33V）,，比較器-2 DAC 被設(shè)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(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(guān)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?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。

　　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(shè)置包含 PWM 單元,、ADC 輸入、比較器和相應的 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(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。 請從以下網(wǎng)址下載此軟件：www.ti.com/controlsuite ,。

　　若要了解有關(guān) Visual Solutions,， Inc. 的 VisSim 模擬、建模和編程軟件的詳細信息并下載免費試用版本,，請訪問該公司網(wǎng)站 www.vissim.com,。

　　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