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。TI 的Picollo系列芯片從F2802x開始,就已經集成了帶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,生成保護信號給到PWM模塊封鎖PWM輸出,從而實現過流過壓保護,響應速度快,無需額外再加比較器和基準電壓。
C2000系列芯片的內置比較器主要可以分為如下兩類:
比較器類型 | 特點 | 覆蓋芯片 |
Comparator module(COMP) type0 | 每個COMP內部有1個10bit DAC,1個比較器 | 2802x, 2803x, 2806x M35x, M36x |
Comparator subsystem(CMPSS) type0 | 每個CMPSS內部有2個12bit DAC,2個比較器 | F2807x, F2837xD, F2837xS, F28004x |
不管是以上哪種類型的比較器,其輸入正端都是直接連到ADC采樣口(這個口用來采樣需要監控的信息比如電壓或電流),輸入負端則可以選擇連到內部的DAC輸出或者另一個ADC采樣口。本文將以比較器負端連到內部DAC輸出為例(這也是最常見的一種用法),介紹內部比較器可能的誤差來源及其矯正方法。
誤差來源:
static offset error,靜態失調誤差。
比較器滯環
ADC基準和比較器內部DAC基準差異。
一、static offset error靜態失調誤差
現在假設我們希望的比較閾值為1.5V,當比較器正端輸入電壓大于1.5V時,比較器輸出為1(高電平);輸入電壓小于1.5V時,比較器輸出0(低電平)。如果內部DAC的基準為3V,那么我們需要把DACVAL設定為2048使得DAC輸出1.5V。在上面描述的這種情況下有兩個地方會引入誤差,一個是內部DAC的誤差(offset error),另一個是比較器的誤差(input referred offset error),這兩個誤差總稱為static offset error,靜態失調誤差。
對于F28004x, F2807x,F2837x系列芯片,其規格書上都有static offset error這個參數,為±25mV。也就是說,雖然理論上DACVAL=2048可以得到1.5V的閾值,但是因為static offset error,比較器發生翻轉時負端的電壓可能在1.475V到1.525V之間,而這個值是多少你并不知道,所以就需要校準。校準方法就是,在比較器正端接上一個你需要的閾值電平,在關掉內部比較器滯環的條件下,讓比較器的DACVAL從0逐漸增大到4095,再逐漸減小到0,這樣比較器輸出會有兩次翻轉,將這兩次翻轉時的DACVAL的值作平均,就是校正后的閾值電壓對應的DACVAL的值。
如果不用內部的DAC生成比較閾值,比較器的正端和負端都接外部信號的話,那么就只需要考慮比較器的誤差了。
二、比較器滯環
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。
需要指出的是,加入滯環后,比較器從0翻轉到1的閾值依然是之前校準過的值,而不會變成(校準過的值+1/2*滯環寬度),而從1翻轉回0的閾值則會變成(校準過的值-滯環寬度)。
三、ADC基準和比較器內部DAC基準的差異
在實際系統中,除了用比較器做硬件保護,通過AD采樣來做軟件保護也很常見。對于同一個電壓或者電流信號,在考慮了前述靜態失調誤差和滯環后,有時候我們會發現ADC采樣得到的值根本沒到比較器DAC輸出的閾值,但是比較器依然翻轉了,這其中甚至會差到200個LSB。這是因為芯片ADC的基準電壓和比較器內部DAC的基準電壓不同導致的。
以F28004x,F2807x, F2837x為例,比較器內部DAC的基準默認來自于VDDA,可以配置成VDAC,而ADC的基準來自于VREFHI,VDDA默認供電是3V,而我們常用的內部ADC基準VREFHI是3.3V,這樣,如果我們的比較器DACVAL設定為2048,那么比較器會在1.5V翻轉,而此時ADC采樣的值只有1.5V/3.3V*4096=1862。這就是因為ADC基準和比較器內部DAC基準的不同帶來的差異,對于既需要做硬件保護,又需要做軟件保護的信號,這一點需要特別注意。最簡便的解決辦法就是,將比較器內部的DAC基準配置為VDAC,同時將VDAC連到VREFHI上,使得兩者的基準一致。
結論
本文以F28004x,F2807x,F2837x芯片為例,介紹了內置比較器的誤差來源及校正方法,同時糾正了比較器滯環的錯誤理解。對于同一個信號既需要軟件保護又需要硬件保護的系統,我們指出了導致軟硬件保護閾值可能出現偏差的原因,同時給出了解決辦法。正確使用C2000芯片內部比較器可以實現快速軟硬件保護,提高系統整體可靠性,同時無需外部基準和比較器,節省PCB空間,是一個非常實用的模塊。
審核編輯 黃昊宇
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