使用C2000內部比較器替外部比較器

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使用C2000內部比較器替外部比較器

C2000系列芯片在數(shù)字電源和電機控制中有著廣泛的應用，在這些應用中，過流過壓保護是必不可少的。傳統(tǒng)的方法是使用外部比較器，但是會存在濾波電路不好設計，不同版本需要不同的BOM來提供不同的保護點等問題。本文針對所有第三代C2000芯片，比如F2807x/37x，F(xiàn)28004x，F(xiàn)28002x等，介紹C2000內部比較器的具體實踐方法，并提供了與傳統(tǒng)的外部比較器方法的比較，結果表明，使用C2000內部比較器的方法在效率和成本上都具備明顯的優(yōu)勢。
1. 介紹

C2000系列芯片在數(shù)字電源和電機控制中有著廣泛的應用，在這些應用中，過流過壓保護是必不可少的。傳統(tǒng)的方法是使用外部比較器，但是會存在濾波電路不好設計，不同版本需要不同的BOM來提供不同的保護點等問題。本文針對所有第三代C2000芯片，比如F2807x/37x，F(xiàn)28004x，F(xiàn)28002x等，介紹C2000內部比較器的具體實踐方法，并提供了與傳統(tǒng)的外部比較器方法的比較，結果表明，使用C2000內部比較器的方法在效率和成本上都具備明顯的優(yōu)勢。
2. C2000 內部比較器的介紹
TI 第三代C2000芯片全系列集成了帶DAC的片內比較器，通過DAC設定閾值，與采樣信號分別送到片內比較器的正負輸入端做比較，由于DAC的集成，用戶可以方便地修改比較的電壓值。同時，C2000比較器內部集成數(shù)字濾波器，可以實現(xiàn)高性能的濾波。生成保護信號給到PWM模塊封鎖PWM輸出，從而實現(xiàn)快速的過流過壓保護，無需額外再加比較器和基準電壓。另外，C2000內部的比較器響應速度快，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生輸出信號，延遲最多60ns, 而通用比較器的延遲一般要1us左右，使用與C2000內部比較器相似規(guī)格的比較器成本又會比較高。
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撲結構，可用于功率應用，例如峰值電流模式控制，開關電源、功率因數(shù)校正和電壓跳閘監(jiān)控。 每個CMPSS 模塊包括兩個模擬比較器、兩個可編程 12 位DAC、一個斜坡發(fā)生器和兩個數(shù)字濾波器。CMPSS有兩個輸出，一個是CTRIPH，送到芯片內部，可以和PWM模塊同步，配合使用。一個是CTRIPOUTH，可以通過OUTPUTXBAR 送到外部GPIO和系統(tǒng)其他模塊搭配使用。簡化的示意圖如圖1所示：

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圖1 比較器子系統(tǒng) (CMPSS)簡圖
3. 比較器滯回功能的使用
為了避免噪聲波動引起的比較器輸出的反復跳變，我們一般都會配置滯回比較。 C2000比較器的滯環(huán)是可以設定的，COMPHYSCTL的COMPHYS位可以設定滯環(huán)的環(huán)寬，當環(huán)寬設定為0時也就意味著沒有滯環(huán)。注意在規(guī)格書中，滯環(huán)的單位是LSB，所以它和CMPSS模塊內部的DAC的參考有關。如果內部DAC的參考電壓是3V，1LSB對應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。

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

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

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4. 數(shù)字濾波器的使用
當外部輸入的濾波電路設計不當時，會導致比較器被誤觸發(fā)的情況，C2000內部比較器還集成了可配置的數(shù)字濾波器，CMPSS數(shù)字濾波器的時鐘來源是系統(tǒng)時鐘, 預分頻(CLKPRESCALE)決定了濾波器的采樣率，濾波器的FIFO在每個分頻后時鐘采樣一次。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的值必須被設置為大于SAMPWIN/2并且小于或等于SAMPWIN。同時，F(xiàn)IFO中的舊數(shù)據將被丟棄。在用寄存器配置的情況下，對于SAMPWIN、THRESH和CLKPRESCALE，數(shù)字濾波器使用的內部數(shù)字在所有情況下都是+1。也就是說，samples=SAMPWIN+1，threshold=THRESH+1，pre scale=CLKPRESCALE+1。

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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等其他內部外設配合使用，但是有些應用中，也需要把內部比較器的信號鎖存起來，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，可以將瞬間的過壓過流給到外部，保護外部的模塊不被損壞。
同時，也可以在比較器的輸出源中選擇通過或門的鎖存信號，也就是高低兩個寄存器的COMPCTL.CTRIPOUTLSEL和用COMPCTL.CTRIPOUTHSEL ，第三個輸入選項就是經過濾波器后的鎖存信號，也可以選擇0-異步模式或是和1-CPU時鐘同步，或是2-經過濾波器但是不鎖存的信號，具體選項和對應關系，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增加一個參數(shù)CMPSS_TRIPOUT_LATCH即可，TRIPOUT代表是將這個信號通過OUTPUTXBAR送到芯片外部GPIO。

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圖3 比較器子系統(tǒng)完整信號框圖
6. 和PWM配合使用的實際應用
傳統(tǒng)的保護方式是使用外部比較器，本文介紹的使用C2000內部的窗口比較器（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
針對 HEV/EV 車載充電器的雙向 CLLLC 諧振、雙有源電橋 (DAB) 參考設計)：
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XBAR 將CMPSS的高和低兩個比較器的結果，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, 當輸出為高時，可以觸發(fā)PWM動作。
7. 總結
在本文中，我們討論了通過 C2000內部集成的模擬比較器功能，在增加系統(tǒng)功能的同時減少外部組件的需求，同時提供了更多的數(shù)字編程控制的靈活性，這種實現(xiàn)還可以幫助節(jié)省成本和電路板空間，本文還通過幾個具體案例詳細介紹了集成模擬比較器的使用方法。更多相關應用、硬件和軟件的示例，請參閱 TI 官網提供的C2000開發(fā)工具、應用手冊、設計指南、硬件原理圖和軟件示例。
參考文獻
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

據麥姆斯咨詢介紹，在當下的“萬物電氣化（electrification of everything）”時代，傳感器已成為一個必不可少的先決條件：汽車、巴士、摩托車、無人送貨車、建筑機械和許多其它車輛配備越來越多的傳感器，以實現(xiàn)安全且舒適的輔助駕駛/自動駕駛。全面的感知能力對于支持運動檢測、定位、導航、數(shù)據融合等許多用途至關重要。
為此，松下機電（Panasonic Industry）開發(fā)出汽車類6軸MEMS慣性傳感器系列，即MEMS慣性測量單元（IMU），該系列產品通過單芯片解決方案面向車載領域的功能安全（ISO26262）為車身穩(wěn)定控制、ADAS和自動駕駛等系統(tǒng)提供慣性感知功能，并且符合ASIL-B(D)標準，具有高水平的功能安全性及自診斷功能。

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松下汽車類6軸MEMS慣性傳感器

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松下汽車類6軸MEMS慣性傳感器用例
買電子元器件現(xiàn)貨上唯樣商城

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過去用于車載系統(tǒng)的慣性傳感器，其角速度和加速度的感測元件是由多顆芯片構成的，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題。松下推出的新型高質量、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，即利用基于單芯片MEMS技術實現(xiàn)高6軸正交性（軸間正交性≦0.01°），為提高車載系統(tǒng)的安全性能和設計自由度做出貢獻。

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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感測技術，通過晶圓級封裝使得蓋帽、MEMS和ASIC形成一體，實現(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。

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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濕側翼QFN。松下借助凹痕加工技術，使得這種封裝外殼引腳的側面能夠形成可目視的焊腳。由此，通過焊腳的目視檢查，即可確認引腳是否已被正常地焊接到基板的焊盤上。這可以實現(xiàn)高質量焊接，從而實現(xiàn)無差錯裝配，這對于汽車安全性、舒適性，以及工業(yè)應用都至關重要。

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慣性傳感器封裝引腳凹痕加工示意圖

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貼裝完后的慣性傳感器外觀示意圖
松下汽車類6軸MEMS慣性傳感器的一個關鍵用途是可以在劇烈振動的情況下（例如當汽車突然沖出道路時）檢測車輛的運動狀況，然后利用傳感器數(shù)據來調整馬達的扭矩和制動力，以實現(xiàn)安全的車輛狀態(tài)。

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該6軸慣性傳感器還成功實施了與汽車安全相關的雷達（RADAR）/激光雷達（LiDAR）應用。通常，雷達/激光雷達會出現(xiàn)安裝偏移，例如在車輛工廠組裝和經銷商運輸過程中。因此需要工廠或經銷商對此類安裝偏移進行校準，使其不影響雷達/激光雷達的探測方向或被探測物體在3D地圖中的位置精度。為此，工廠或經銷商在靜止情況下使用3軸加速度計進行傾斜檢測以測量安裝偏移，并且在運動情況時，還會使用3軸陀螺儀來測量偏移。
雷達/激光雷達可以搭配6軸慣性傳感器以獲得姿態(tài)（橫滾、俯仰和偏航）及地理坐標信息，助力自動駕駛汽車實現(xiàn)更加安全的導航和定位功能。對于掃描周期較長的激光雷達等傳感器，車載系統(tǒng)需要將上一個周期檢測到的周圍環(huán)境3D點云與當前周期檢測到的3D點云進行比較。通過使用來自6軸慣性傳感器的車輛運動數(shù)據，可以減少匹配上一個周期的3D點云和當前周期的3D點云的計算量。
在汽車行駛時，6軸慣性傳感器能夠動態(tài)地檢測道路的起伏，車載系統(tǒng)根據傳感器數(shù)據可修正雷達/激光雷達照射位置或探測到的物體在地圖上的位置。尤其是在GNSS（全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)）信號被阻擋時（例如隧道中），基于慣性傳感器的航位推算（DR）可以計算出當前車輛的位置，保證連續(xù)定位、穩(wěn)健駕駛。
除了這些與汽車安全相關的應用之外，該6軸慣性傳感器還成功地應用于AR-HUD（增強現(xiàn)實抬頭顯示）系統(tǒng)等舒適性應用。在這個用例中，慣性傳感器檢測車輛的運動，并可以使用“AR.markers”調整AR-HUD光束的位置，以便駕駛員以最佳方式觀看。另一個與舒適性相關的應用是主動懸架系統(tǒng)，其通過慣性傳感器采集車輛姿態(tài)信息，經過主動懸架控制器計算，向四輪減震器輸出軟硬不同的阻尼控制，最后通過控制四個減震器內部的電磁閥來動態(tài)調整懸架軟硬。
松下目前正在進行不同實施狀態(tài)的多個項目，推動商業(yè)應用領域也使用6軸慣性傳感器。例如，自動駕駛巴士可以借助6軸慣性傳感器來計算車輛是否在預定義的路徑上。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“即將實現(xiàn)自主運行”的機械——例如割草機、鐵路列車或壓實機。

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