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中，在微控制器自身發生執行錯誤的情況下防止發生過壓或欠壓時，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，而不需要外部支持電路。這主要涉及使用模擬比較器來監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成本。
Piccolo 微控制器架構已針對數字控制應用進行了優化，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 具有自動序列發生器允許開發者進行編程，以循環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，控制環路運行更緊密，既改進了控制算法的動態特性，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
• 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生器。比較器塊的輸出也可通過連接至PWM跳閘區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，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 評估套件的開發環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。可從該公司網站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。
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，這種可能性的實現有助于節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 。
若要了解有關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，請訪問該公司網站www.vissim.com 。
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