使用微控制器集成模擬比較器以提供電源保護并降低電路板空間

簡介

現在，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。