使用C2000内部比较器替外部比较器

使用C2000内部比较器替外部比较器

C2000系列芯片在数字电源和电机控制中有着广泛的应用，在这些应用中，过流过压保护是必不可少的。传统的方法是使用外部比较器，但是会存在滤波电路不好设计，不同版本需要不同的BOM来提供不同的保护点等问题。本文针对所有第三代C2000芯片，比如F2807x/37x，F28004x，F28002x等，介绍C2000内部比较器的具体实践方法，并提供了与传统的外部比较器方法的比较，结果表明，使用C2000内部比较器的方法在效率和成本上都具备明显的优势。
1. 介绍

C2000系列芯片在数字电源和电机控制中有着广泛的应用，在这些应用中，过流过压保护是必不可少的。传统的方法是使用外部比较器，但是会存在滤波电路不好设计，不同版本需要不同的BOM来提供不同的保护点等问题。本文针对所有第三代C2000芯片，比如F2807x/37x，F28004x，F28002x等，介绍C2000内部比较器的具体实践方法，并提供了与传统的外部比较器方法的比较，结果表明，使用C2000内部比较器的方法在效率和成本上都具备明显的优势。
2. C2000 内部比较器的介绍
TI 第三代C2000芯片全系列集成了带DAC的片内比较器，通过DAC设定阈值，与采样信号分别送到片内比较器的正负输入端做比较，由于DAC的集成，用户可以方便地修改比较的电压值。同时，C2000比较器内部集成数字滤波器，可以实现高性能的滤波。生成保护信号给到PWM模块封锁PWM输出，从而实现快速的过流过压保护，无需额外再加比较器和基准电压。另外，C2000内部的比较器响应速度快，以F280049 为例（可参考datasheet上Comparator Electrical Characteristics这一章节），从比较器输入的电平异常到比较器产生输出信号，延迟最多60ns, 而通用比较器的延迟一般要1us左右，使用与C2000内部比较器相似规格的比较器成本又会比较高。
比较器子系统 (CMPSS) 模块由模拟比较器和支持组件组成它们组合成一种拓扑结构，可用于功率应用，例如峰值电流模式控制，开关电源、功率因数校正和电压跳闸监控。 每个CMPSS 模块包括两个模拟比较器、两个可编程 12 位DAC、一个斜坡发生器和两个数字滤波器。CMPSS有两个输出，一个是CTRIPH，送到芯片内部，可以和PWM模块同步，配合使用。一个是CTRIPOUTH，可以通过OUTPUTXBAR 送到外部GPIO和系统其他模块搭配使用。简化的示意图如图1所示：




图1 比较器子系统 (CMPSS)简图
3. 比较器滞回功能的使用
为了避免噪声波动引起的比较器输出的反复跳变，我们一般都会配置滞回比较。 C2000比较器的滞环是可以设定的，COMPHYSCTL的COMPHYS位可以设定滞环的环宽，当环宽设定为0时也就意味着没有滞环。注意在规格书中，滞环的单位是LSB，所以它和CMPSS模块内部的DAC的参考有关。如果内部DAC的参考电压是3V，1LSB对应3V/4096=0.7mV。 以F28004x，F2807x，F2837x为例，其滞环可以在12LSB, 24LSB, 36LSB, 48LSB中选择。具体可以在datasheet的电气参数中看到。




CMPSS内部DAC的参考可以看TRM (Technical Reference Manual) 中关于参考的介绍，可以在VDDA和VDAC中选择：




设置滞回的寄存器是COMPHYS, 设置滞回也可以调用driverlib中的函数CMPSS_setHysteresis(uint32_t base, uint16_t value)。设置值和滞回环宽的关系可以看具体型号C2000的Technical Reference Manual中寄存器的解释。




4. 数字滤波器的使用
当外部输入的滤波电路设计不当时，会导致比较器被误触发的情况，C2000内部比较器还集成了可配置的数字滤波器，CMPSS数字滤波器的时钟来源是系统时钟, 预分频(CLKPRESCALE)决定了滤波器的采样率，滤波器的FIFO在每个分频后时钟采样一次。数字滤波器在从输入端采集的FIFO采样(SAMPWIN)窗口上工作。滤波器输出为采样窗口内的多数值，其中多数由阈值(THRESH)定义。如果不满足阈值，则滤波器输出保持不变。具体的工作逻辑可以参考TRM(Technical Reference Manual)的Digital filter behavior，如图2。
这里以F280049为例，需要注意的是，THRESH的值必须被设置为大于SAMPWIN/2并且小于或等于SAMPWIN。同时，FIFO中的旧数据将被丢弃。在用寄存器配置的情况下，对于SAMPWIN、THRESH和CLKPRESCALE，数字滤波器使用的内部数字在所有情况下都是+1。也就是说，samples=SAMPWIN+1，threshold=THRESH+1，pre scale=CLKPRESCALE+1。




图2 比较器滤波子模块功能
也可以用driverlib函数配置，即在函数中配置相应的分频值，采样窗和阈值。
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. 利用锁存模式和外部模块配合使用
CMPSS可以很方便地和PWM等其他内部外设配合使用，但是有些应用中，也需要把内部比较器的信号锁存起来，比如传给外部的IPM模块等。CMPSS也支持这种模式，用户可选择穿透模式，和锁存(Latch)模式，在锁存模式下，可以将瞬间的过压过流给到外部，保护外部的模块不被损坏。
同时，也可以在比较器的输出源中选择通过或门的锁存信号，也就是高低两个寄存器的COMPCTL.CTRIPOUTLSEL和用COMPCTL.CTRIPOUTHSEL ，第三个输入选项就是经过滤波器后的锁存信号，也可以选择0-异步模式或是和1-CPU时钟同步，或是2-经过滤波器但是不锁存的信号，具体选项和对应关系，可以参考图3。
同样的，也可以用Driverlib函数配置，在void CMPSS_configOutputsHigh(uint32_t base, uint16_t config)和void CMPSS_configOutputsLow(uint32_t base, uint16_t config)函数里面的config增加一个参数CMPSS_TRIPOUT_LATCH即可，TRIPOUT代表是将这个信号通过OUTPUTXBAR送到芯片外部GPIO。




图3 比较器子系统完整信号框图
6. 和PWM配合使用的实际应用
传统的保护方式是使用外部比较器，本文介绍的使用C2000内部的窗口比较器（ADC与比较器pin 脚共用）的方式，可以节省物料成本和布板空间。具体配置方法如下(完整代码参考TIDM-02002
针对 HEV/EV 车载充电器的双向 CLLLC 谐振、双有源电桥 (DAB) 参考设计)：
第一步，选择合适的CMPSS输入的脚，查看TRM 的Table 15-2. Analog Pins and Internal Connections，并通过CMPSS的DAC 子模块，配置合适的值; 这边需要注意，比较器模块的高低比较器的Positive input必须是外部AIO引脚，negative input 可以说DAC 的输出或外部AIO引脚。
// 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，配置输出，通过XBAR 将CMPSS的高和低两个比较器的结果，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，将XBAR_TRIP5和XBAR_TRIP7分别配置给Digital Trip Event A2和B2, 当输出为高时，可以触发PWM动作。
7. 总结
在本文中，我们讨论了通过 C2000内部集成的模拟比较器功能，在增加系统功能的同时减少外部组件的需求，同时提供了更多的数字编程控制的灵活性，这种实现还可以帮助节省成本和电路板空间，本文还通过几个具体案例详细介绍了集成模拟比较器的使用方法。更多相关应用、硬件和软件的示例，请参阅 TI 官网提供的C2000开发工具、应用手册、设计指南、硬件原理图和软件示例。
参考文献
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
来源：TI
作者：Emma Wang
松下汽车类6轴单芯片MEMS惯性传感器，提高车载系统的安全性和舒适性

据麦姆斯咨询介绍，在当下的“万物电气化（electrification of everything）”时代，传感器已成为一个必不可少的先决条件：汽车、巴士、摩托车、无人送货车、建筑机械和许多其它车辆配备越来越多的传感器，以实现安全且舒适的辅助驾驶/自动驾驶。全面的感知能力对于支持运动检测、定位、导航、数据融合等许多用途至关重要。
为此，松下机电（Panasonic Industry）开发出汽车类6轴MEMS惯性传感器系列，即MEMS惯性测量单元（IMU），该系列产品通过单芯片解决方案面向车载领域的功能安全（ISO26262）为车身稳定控制、ADAS和自动驾驶等系统提供惯性感知功能，并且符合ASIL-B(D)标准，具有高水平的功能安全性及自诊断功能。





松下汽车类6轴MEMS惯性传感器




松下汽车类6轴MEMS惯性传感器用例
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过去用于车载系统的惯性传感器，其角速度和加速度的感测元件是由多颗芯片构成的，因此面临因角速度和加速度的轴偏离而影响输出精度的问题。松下推出的新型高质量、高可靠的6轴MEMS惯性传感器系列，也称为“6合1传感器”，单颗芯片集成了3轴MEMS陀螺仪和3轴MEMS加速度计，即利用基于单芯片MEMS技术实现高6轴正交性（轴间正交性≦0.01°），为提高车载系统的安全性能和设计自由度做出贡献。




松下汽车类6轴MEMS惯性传感器采用单芯片解决方案
松下汽车类6轴MEMS惯性传感器采用电容式MEMS感测技术，通过晶圆级封装使得盖帽、MEMS和ASIC形成一体，实现了小型化的6轴惯性传感器，封装尺寸为4.5 mm x 4.5 mm x 1.1 mm。由此，为车载系统的综合化和车载ECU的小型化做出了贡献。




松下汽车类6轴MEMS惯性传感器剖面图
该惯性传感器封装形式为可润湿侧翼QFN。松下借助凹痕加工技术，使得这种封装外壳引脚的侧面能够形成可目视的焊脚。由此，通过焊脚的目视检查，即可确认引脚是否已被正常地焊接到基板的焊盘上。这可以实现高质量焊接，从而实现无差错装配，这对于汽车安全性、舒适性，以及工业应用都至关重要。




惯性传感器封装引脚凹痕加工示意图




贴装完后的惯性传感器外观示意图
松下汽车类6轴MEMS惯性传感器的一个关键用途是可以在剧烈振动的情况下（例如当汽车突然冲出道路时）检测车辆的运动状况，然后利用传感器数据来调整马达的扭矩和制动力，以实现安全的车辆状态。




该6轴惯性传感器还成功实施了与汽车安全相关的雷达（RADAR）/激光雷达（LiDAR）应用。通常，雷达/激光雷达会出现安装偏移，例如在车辆工厂组装和经销商运输过程中。因此需要工厂或经销商对此类安装偏移进行校准，使其不影响雷达/激光雷达的探测方向或被探测物体在3D地图中的位置精度。为此，工厂或经销商在静止情况下使用3轴加速度计进行倾斜检测以测量安装偏移，并且在运动情况时，还会使用3轴陀螺仪来测量偏移。
雷达/激光雷达可以搭配6轴惯性传感器以获得姿态（横滚、俯仰和偏航）及地理坐标信息，助力自动驾驶汽车实现更加安全的导航和定位功能。对于扫描周期较长的激光雷达等传感器，车载系统需要将上一个周期检测到的周围环境3D点云与当前周期检测到的3D点云进行比较。通过使用来自6轴惯性传感器的车辆运动数据，可以减少匹配上一个周期的3D点云和当前周期的3D点云的计算量。
在汽车行驶时，6轴惯性传感器能够动态地检测道路的起伏，车载系统根据传感器数据可修正雷达/激光雷达照射位置或探测到的物体在地图上的位置。尤其是在GNSS（全球导航卫星系统）信号被阻挡时（例如隧道中），基于惯性传感器的航位推算（DR）可以计算出当前车辆的位置，保证连续定位、稳健驾驶。
除了这些与汽车安全相关的应用之外，该6轴惯性传感器还成功地应用于AR-HUD（增强现实抬头显示）系统等舒适性应用。在这个用例中，惯性传感器检测车辆的运动，并可以使用“AR.markers”调整AR-HUD光束的位置，以便驾驶员以最佳方式观看。另一个与舒适性相关的应用是主动悬架系统，其通过惯性传感器采集车辆姿态信息，经过主动悬架控制器计算，向四轮减震器输出软硬不同的阻尼控制，最后通过控制四个减震器内部的电磁阀来动态调整悬架软硬。
松下目前正在进行不同实施状态的多个项目，推动商业应用领域也使用6轴惯性传感器。例如，自动驾驶巴士可以借助6轴惯性传感器来计算车辆是否在预定义的路径上。自主叉车受益于6轴惯性传感器提供的安全性和舒适性——例如防止货物从叉车上掉落。这些也适用于其它“即将实现自主运行”的机械——例如割草机、铁路列车或压实机。

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