使用C2000內(nèi)部比較器替外部比較器

使用C2000內(nèi)部比較器替外部比較器

C2000系列芯片在數(shù)字電源和電機(jī)控制中有著廣泛的應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，過(guò)流過(guò)壓保護(hù)是必不可少的。傳統(tǒng)的方法是使用外部比較器，但是會(huì)存在濾波電路不好設(shè)計(jì)，不同版本需要不同的BOM來(lái)提供不同的保護(hù)點(diǎn)等問(wèn)題。本文針對(duì)所有第三代C2000芯片，比如F2807x/37x，F(xiàn)28004x，F(xiàn)28002x等，介紹C2000內(nèi)部比較器的具體實(shí)踐方法，并提供了與傳統(tǒng)的外部比較器方法的比較，結(jié)果表明，使用C2000內(nèi)部比較器的方法在效率和成本上都具備明顯的優(yōu)勢(shì)。

1. 介紹

C2000系列芯片在數(shù)字電源和電機(jī)控制中有著廣泛的應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，過(guò)流過(guò)壓保護(hù)是必不可少的。傳統(tǒng)的方法是使用外部比較器，但是會(huì)存在濾波電路不好設(shè)計(jì)，不同版本需要不同的BOM來(lái)提供不同的保護(hù)點(diǎn)等問(wèn)題。本文針對(duì)所有第三代C2000芯片，比如F2807x/37x，F(xiàn)28004x，F(xiàn)28002x等，介紹C2000內(nèi)部比較器的具體實(shí)踐方法，并提供了與傳統(tǒng)的外部比較器方法的比較，結(jié)果表明，使用C2000內(nèi)部比較器的方法在效率和成本上都具備明顯的優(yōu)勢(shì)。

2. C2000 內(nèi)部比較器的介紹

TI 第三代C2000芯片全系列集成了帶DAC的片內(nèi)比較器，通過(guò)DAC設(shè)定閾值，與采樣信號(hào)分別送到片內(nèi)比較器的正負(fù)輸入端做比較，由于DAC的集成，用戶可以方便地修改比較的電壓值。同時(shí)，C2000比較器內(nèi)部集成數(shù)字濾波器，可以實(shí)現(xiàn)高性能的濾波。生成保護(hù)信號(hào)給到PWM模塊封鎖PWM輸出，從而實(shí)現(xiàn)快速的過(guò)流過(guò)壓保護(hù)，無(wú)需額外再加比較器和基準(zhǔn)電壓。另外，C2000內(nèi)部的比較器響應(yīng)速度快，以F280049 為例（可參考datasheet上Comparator Electrical Characteristics這一章節(jié)），從比較器輸入的電平異常到比較器產(chǎn)生輸出信號(hào)，延遲最多60ns, 而通用比較器的延遲一般要1us左右，使用與C2000內(nèi)部比較器相似規(guī)格的比較器成本又會(huì)比較高。

比較器子系統(tǒng) (CMPSS) 模塊由模擬比較器和支持組件組成它們組合成一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可用于功率應(yīng)用，例如峰值電流模式控制，開(kāi)關(guān)電源、功率因數(shù)校正和電壓跳閘監(jiān)控。 每個(gè)CMPSS 模塊包括兩個(gè)模擬比較器、兩個(gè)可編程 12 位DAC、一個(gè)斜坡發(fā)生器和兩個(gè)數(shù)字濾波器。CMPSS有兩個(gè)輸出，一個(gè)是CTRIPH，送到芯片內(nèi)部，可以和PWM模塊同步，配合使用。一個(gè)是CTRIPOUTH，可以通過(guò)OUTPUTXBAR 送到外部GPIO和系統(tǒng)其他模塊搭配使用。簡(jiǎn)化的示意圖如圖1所示：

圖1 比較器子系統(tǒng) (CMPSS)簡(jiǎn)圖

3. 比較器滯回功能的使用

為了避免噪聲波動(dòng)引起的比較器輸出的反復(fù)跳變，我們一般都會(huì)配置滯回比較。 C2000比較器的滯環(huán)是可以設(shè)定的，COMPHYSCTL的COMPHYS位可以設(shè)定滯環(huán)的環(huán)寬，當(dāng)環(huán)寬設(shè)定為0時(shí)也就意味著沒(méi)有滯環(huán)。注意在規(guī)格書中，滯環(huán)的單位是LSB，所以它和CMPSS模塊內(nèi)部的DAC的參考有關(guān)。如果內(nèi)部DAC的參考電壓是3V，1LSB對(duì)應(yīng)3V/4096=0.7mV。 以F28004x，F(xiàn)2807x，F(xiàn)2837x為例，其滯環(huán)可以在12LSB, 24LSB, 36LSB, 48LSB中選擇。具體可以在datasheet的電氣參數(shù)中看到。

CMPSS內(nèi)部DAC的參考可以看TRM (Technical Reference Manual) 中關(guān)于參考的介紹，可以在VDDA和VDAC中選擇：

設(shè)置滯回的寄存器是COMPHYS, 設(shè)置滯回也可以調(diào)用driverlib中的函數(shù)CMPSS_setHysteresis(uint32_t base, uint16_t value)。設(shè)置值和滯回環(huán)寬的關(guān)系可以看具體型號(hào)C2000的Technical Reference Manual中寄存器的解釋。

4. 數(shù)字濾波器的使用

當(dāng)外部輸入的濾波電路設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致比較器被誤觸發(fā)的情況，C2000內(nèi)部比較器還集成了可配置的數(shù)字濾波器，CMPSS數(shù)字濾波器的時(shí)鐘來(lái)源是系統(tǒng)時(shí)鐘, 預(yù)分頻(CLKPRESCALE)決定了濾波器的采樣率，濾波器的FIFO在每個(gè)分頻后時(shí)鐘采樣一次。數(shù)字濾波器在從輸入端采集的FIFO采樣(SAMPWIN)窗口上工作。濾波器輸出為采樣窗口內(nèi)的多數(shù)值，其中多數(shù)由閾值(THRESH)定義。如果不滿足閾值，則濾波器輸出保持不變。具體的工作邏輯可以參考TRM(Technical Reference Manual)的Digital filter behavior，如圖2。

這里以F280049為例，需要注意的是，THRESH的值必須被設(shè)置為大于SAMPWIN/2并且小于或等于SAMPWIN。同時(shí)，F(xiàn)IFO中的舊數(shù)據(jù)將被丟棄。在用寄存器配置的情況下，對(duì)于SAMPWIN、THRESH和CLKPRESCALE，數(shù)字濾波器使用的內(nèi)部數(shù)字在所有情況下都是+1。也就是說(shuō)，samples=SAMPWIN+1，threshold=THRESH+1，pre scale=CLKPRESCALE+1。

圖2 比較器濾波子模塊功能

也可以用driverlib函數(shù)配置，即在函數(shù)中配置相應(yīng)的分頻值，采樣窗和閾值。

Void CMPSS_configFilterHigh(uint32_t base, uint16_t samplePrescale, uint16_t sampleWindow, uint16_t threshold);

Void CMPSS_configFilterLow(uint32_t base, uint16_t samplePrescale, uint16_t sampleWindow, uint16_t threshold);

5. 利用鎖存模式和外部模塊配合使用

CMPSS可以很方便地和PWM等其他內(nèi)部外設(shè)配合使用，但是有些應(yīng)用中，也需要把內(nèi)部比較器的信號(hào)鎖存起來(lái)，比如傳給外部的IPM模塊等。CMPSS也支持這種模式，用戶可選擇穿透模式，和鎖存(Latch)模式，在鎖存模式下，可以將瞬間的過(guò)壓過(guò)流給到外部，保護(hù)外部的模塊不被損壞。

同時(shí)，也可以在比較器的輸出源中選擇通過(guò)或門的鎖存信號(hào)，也就是高低兩個(gè)寄存器的COMPCTL.CTRIPOUTLSEL和用COMPCTL.CTRIPOUTHSEL ，第三個(gè)輸入選項(xiàng)就是經(jīng)過(guò)濾波器后的鎖存信號(hào)，也可以選擇0-異步模式或是和1-CPU時(shí)鐘同步，或是2-經(jīng)過(guò)濾波器但是不鎖存的信號(hào)，具體選項(xiàng)和對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以參考圖3。

同樣的，也可以用Driverlib函數(shù)配置，在void CMPSS_configOutputsHigh(uint32_t base, uint16_t config)和void CMPSS_configOutputsLow(uint32_t base, uint16_t config)函數(shù)里面的config增加一個(gè)參數(shù)CMPSS_TRIPOUT_LATCH即可，TRIPOUT代表是將這個(gè)信號(hào)通過(guò)OUTPUTXBAR送到芯片外部GPIO。

圖3 比較器子系統(tǒng)完整信號(hào)框圖

6. 和PWM配合使用的實(shí)際應(yīng)用

傳統(tǒng)的保護(hù)方式是使用外部比較器，本文介紹的使用C2000內(nèi)部的窗口比較器（ADC與比較器pin 腳共用）的方式，可以節(jié)省物料成本和布板空間。具體配置方法如下(完整代碼參考TIDM-02002 買電子元器件現(xiàn)貨上唯樣商城

針對(duì) HEV/EV 車載充電器的雙向 CLLLC 諧振、雙有源電橋 (DAB) 參考設(shè)計(jì))：

第一步，選擇合適的CMPSS輸入的腳，查看TRM 的Table 15-2. Analog Pins and Internal Connections，并通過(guò)CMPSS的DAC 子模塊，配置合適的值; 這邊需要注意，比較器模塊的高低比較器的Positive input必須是外部AIO引腳，negative input 可以說(shuō)DAC 的輸出或外部AIO引腳。

// set CMPSS H and L Positive input pins

ASysCtl_selectCMPHPMux(CLLLC_IPRIM_CMPSS_ASYSCTRL_CMPHPMUX,

CLLLC_IPRIM_CMPSS_ASYSCTRL_MUX_VALUE);

ASysCtl_selectCMPLPMux(CLLLC_IPRIM_CMPSS_ASYSCTRL_CMPLPMUX,

CLLLC_IPRIM_CMPSS_ASYSCTRL_MUX_VALUE);

// set DAC H and L values

CMPSS_setDACValueHigh(CLLLC_ISEC_TANK_CMPSS_BASE,

CLLLC_ISEC_TANK_DACHVAL);

CMPSS_setDACValueLow(CLLLC_ISEC_TANK_CMPSS_BASE,

CLLLC_ISEC_TANK_DACLVAL);

第二步，配置輸出，通過(guò)XBAR 將CMPSS的高和低兩個(gè)比較器的結(jié)果，映射到XBAR_TRIP5和XBAR_TRIP7;

XBAR_setEPWMMuxConfig(XBAR_TRIP5,

CLLLC_IPRIM_TANK_H_PWM_XBAR_MUX_VAL);

XBAR_enableEPWMMux(XBAR_TRIP5,

CLLLC_IPRIM_TANK_H_XBAR_MUX);

XBAR_setEPWMMuxConfig(XBAR_TRIP7,

CLLLC_IPRIM_TANK_L_PWM_XBAR_MUX_VAL);

XBAR_enableEPWMMux(XBAR_TRIP7,

CLLLC_IPRIM_TANK_L_XBAR_MUX);

第三步，PWM trip配置，將XBAR_TRIP5和XBAR_TRIP7分別配置給Digital Trip Event A2和B2, 當(dāng)輸出為高時(shí)，可以觸發(fā)PWM動(dòng)作。

7. 總結(jié)

在本文中，我們討論了通過(guò) C2000內(nèi)部集成的模擬比較器功能，在增加系統(tǒng)功能的同時(shí)減少外部組件的需求，同時(shí)提供了更多的數(shù)字編程控制的靈活性，這種實(shí)現(xiàn)還可以幫助節(jié)省成本和電路板空間，本文還通過(guò)幾個(gè)具體案例詳細(xì)介紹了集成模擬比較器的使用方法。更多相關(guān)應(yīng)用、硬件和軟件的示例，請(qǐng)參閱 TI 官網(wǎng)提供的C2000開(kāi)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。

參考文獻(xiàn)

TMS320F28002x Real-Time Microcontrollers Technical Reference Manual (Rev. A)

TMS320F28004x Real-Time Microcontrollers Technical Reference Manual (Rev. D)

Design Guide: TIDM-02002 Bidirectional CLLLC Resonant Dual Active Bridge (DAB) Reference Design for HEV/EV Onboard Charger

來(lái)源：TI

作者：Emma Wang

松下汽車類6軸單芯片MEMS慣性傳感器，提高車載系統(tǒng)的安全性和舒適性

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，在當(dāng)下的“萬(wàn)物電氣化（electrification of everything）”時(shí)代，傳感器已成為一個(gè)必不可少的先決條件：汽車、巴士、摩托車、無(wú)人送貨車、建筑機(jī)械和許多其它車輛配備越來(lái)越多的傳感器，以實(shí)現(xiàn)安全且舒適的輔助駕駛/自動(dòng)駕駛。全面的感知能力對(duì)于支持運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、定位、導(dǎo)航、數(shù)據(jù)融合等許多用途至關(guān)重要。

為此，松下機(jī)電（Panasonic Industry）開(kāi)發(fā)出汽車類6軸MEMS慣性傳感器系列，即MEMS慣性測(cè)量單元（IMU），該系列產(chǎn)品通過(guò)單芯片解決方案面向車載領(lǐng)域的功能安全（ISO26262）為車身穩(wěn)定控制、ADAS和自動(dòng)駕駛等系統(tǒng)提供慣性感知功能，并且符合ASIL-B(D)標(biāo)準(zhǔn)，具有高水平的功能安全性及自診斷功能。

松下汽車類6軸MEMS慣性傳感器

過(guò)去用于車載系統(tǒng)的慣性傳感器，其角速度和加速度的感測(cè)元件是由多顆芯片構(gòu)成的，因此面臨因角速度和加速度的軸偏離而影響輸出精度的問(wèn)題。松下推出的新型高質(zhì)量、高可靠的6軸MEMS慣性傳感器系列，也稱為“6合1傳感器”，單顆芯片集成了3軸MEMS陀螺儀和3軸MEMS加速度計(jì)，即利用基于單芯片MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)高6軸正交性（軸間正交性≦0.01°），為提高車載系統(tǒng)的安全性能和設(shè)計(jì)自由度做出貢獻(xiàn)。

松下汽車類6軸MEMS慣性傳感器采用單芯片解決方案

松下汽車類6軸MEMS慣性傳感器采用電容式MEMS感測(cè)技術(shù)，通過(guò)晶圓級(jí)封裝使得蓋帽、MEMS和ASIC形成一體，實(shí)現(xiàn)了小型化的6軸慣性傳感器，封裝尺寸為4.5 mm x 4.5 mm x 1.1 mm。由此，為車載系統(tǒng)的綜合化和車載ECU的小型化做出了貢獻(xiàn)。

松下汽車類6軸MEMS慣性傳感器剖面圖

該慣性傳感器封裝形式為可潤(rùn)濕側(cè)翼QFN。松下借助凹痕加工技術(shù)，使得這種封裝外殼引腳的側(cè)面能夠形成可目視的焊腳。由此，通過(guò)焊腳的目視檢查，即可確認(rèn)引腳是否已被正常地焊接到基板的焊盤上。這可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量焊接，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)裝配，這對(duì)于汽車安全性、舒適性，以及工業(yè)應(yīng)用都至關(guān)重要。

慣性傳感器封裝引腳凹痕加工示意圖

貼裝完后的慣性傳感器外觀示意圖

松下汽車類6軸MEMS慣性傳感器的一個(gè)關(guān)鍵用途是可以在劇烈振動(dòng)的情況下（例如當(dāng)汽車突然沖出道路時(shí)）檢測(cè)車輛的運(yùn)動(dòng)狀況，然后利用傳感器數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整馬達(dá)的扭矩和制動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)安全的車輛狀態(tài)。

該6軸慣性傳感器還成功實(shí)施了與汽車安全相關(guān)的雷達(dá)（RADAR）/激光雷達(dá)（LiDAR）應(yīng)用。通常，雷達(dá)/激光雷達(dá)會(huì)出現(xiàn)安裝偏移，例如在車輛工廠組裝和經(jīng)銷商運(yùn)輸過(guò)程中。因此需要工廠或經(jīng)銷商對(duì)此類安裝偏移進(jìn)行校準(zhǔn)，使其不影響雷達(dá)/激光雷達(dá)的探測(cè)方向或被探測(cè)物體在3D地圖中的位置精度。為此，工廠或經(jīng)銷商在靜止情況下使用3軸加速度計(jì)進(jìn)行傾斜檢測(cè)以測(cè)量安裝偏移，并且在運(yùn)動(dòng)情況時(shí)，還會(huì)使用3軸陀螺儀來(lái)測(cè)量偏移。

雷達(dá)/激光雷達(dá)可以搭配6軸慣性傳感器以獲得姿態(tài)（橫滾、俯仰和偏航）及地理坐標(biāo)信息，助力自動(dòng)駕駛汽車實(shí)現(xiàn)更加安全的導(dǎo)航和定位功能。對(duì)于掃描周期較長(zhǎng)的激光雷達(dá)等傳感器，車載系統(tǒng)需要將上一個(gè)周期檢測(cè)到的周圍環(huán)境3D點(diǎn)云與當(dāng)前周期檢測(cè)到的3D點(diǎn)云進(jìn)行比較。通過(guò)使用來(lái)自6軸慣性傳感器的車輛運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，可以減少匹配上一個(gè)周期的3D點(diǎn)云和當(dāng)前周期的3D點(diǎn)云的計(jì)算量。

在汽車行駛時(shí)，6軸慣性傳感器能夠動(dòng)態(tài)地檢測(cè)道路的起伏，車載系統(tǒng)根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)可修正雷達(dá)/激光雷達(dá)照射位置或探測(cè)到的物體在地圖上的位置。尤其是在GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）信號(hào)被阻擋時(shí)（例如隧道中），基于慣性傳感器的航位推算（DR）可以計(jì)算出當(dāng)前車輛的位置，保證連續(xù)定位、穩(wěn)健駕駛。

除了這些與汽車安全相關(guān)的應(yīng)用之外，該6軸慣性傳感器還成功地應(yīng)用于AR-HUD（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)抬頭顯示）系統(tǒng)等舒適性應(yīng)用。在這個(gè)用例中，慣性傳感器檢測(cè)車輛的運(yùn)動(dòng)，并可以使用“AR.markers”調(diào)整AR-HUD光束的位置，以便駕駛員以最佳方式觀看。另一個(gè)與舒適性相關(guān)的應(yīng)用是主動(dòng)懸架系統(tǒng)，其通過(guò)慣性傳感器采集車輛姿態(tài)信息，經(jīng)過(guò)主動(dòng)懸架控制器計(jì)算，向四輪減震器輸出軟硬不同的阻尼控制，最后通過(guò)控制四個(gè)減震器內(nèi)部的電磁閥來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整懸架軟硬。

松下目前正在進(jìn)行不同實(shí)施狀態(tài)的多個(gè)項(xiàng)目，推動(dòng)商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域也使用6軸慣性傳感器。例如，自動(dòng)駕駛巴士可以借助6軸慣性傳感器來(lái)計(jì)算車輛是否在預(yù)定義的路徑上。自主叉車受益于6軸慣性傳感器提供的安全性和舒適性——例如防止貨物從叉車上掉落。這些也適用于其它“即將實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行”的機(jī)械——例如割草機(jī)、鐵路列車或壓實(shí)機(jī)。

審核編輯黃宇