基于C2000內部集成的模擬比較器功能

1. 介紹

C2000系列芯片在數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，F28004x，F28002x等，介紹C2000內部比較器的具體實踐方法，并提供了與傳統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比較器內部集成數字濾波器，可以實現高性能的濾波。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），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內部比較器相似規格的比較器成本又會比較高。

比較器子系統 (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、功率因數校正和電壓跳閘監控。 每個CMPSS 模塊包括兩個模擬比較器、兩個可編程 12 位DAC、一個斜坡發生器和兩個數字濾波器。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和系統其他模塊搭配使用。簡化的示意圖如圖1所示：

圖1 比較器子系統 (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比較器的滯環是可以設定的，COMPHYSCTL的COMPHYS位可以設定滯環的環寬，當環寬設定為0時也就意味著沒有滯環。注意在規格書中，滯環的單位是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，F2807x，F2837x為例，其滯環可以在12LSB, 24LSB, 36LSB, 48LSB中選擇。具體可以在datasheet的電氣參數中看到。

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：

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

4. 數字濾波器的使用

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的情況，C2000內部比較器還集成了可配置的數字濾波器，CMPSS數字濾波器的時鐘來源是系統時鐘, 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值，其中多數由閾值(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，FIFO中的舊數據將被丟棄。在用寄存器配置的情況下，對于SAMPWIN、THRESH和CLKPRESCALE，數字濾波器使用的內部數字在所有情況下都是+1。也就是說，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函數配置，即在函數中配置相應的分頻值，采樣窗和閾值。

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函數配置，在void CMPSS_configOutputsHigh(uint32_t base, uint16_t config)和void CMPSS_configOutputsLow(uint32_t base, uint16_t config)函數里面的config增加一個參數CMPSS_TRIPOUT_LATCH即可，TRIPOUT代表是將這個信號通過OUTPUTXBAR送到芯片外部GPIO。

圖3 比較器子系統完整信號框圖

6. 和PWM配合使用的實際應用

傳統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。

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，在增加系統功能的同時減少外部組件的需求，同時提供了更多的數字編程控制的靈活性，這種實現還可以幫助節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開發工具、應用手冊、設計指南、硬件原理圖和軟件示例。

審核編輯：彭菁