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處理器/DSP  

消費和工業電子中控制系統的技術要求和解決方案分析

上網時間: 2005年11月02日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:消費電子  工業控制  AMC6821  風扇控制  MSP430 

雖然消費和工業電子對控制系統的技術要求多種多樣,但兩者之間仍有很多相似之處。市場趨勢顯示創新研究、先進矽晶製程、更高整合度、更小的封裝、無鉛化和綠色規劃正成為開發新的成功電子產品的關鍵。這類創新的一個例子就是採用TI公司的單晶片解決方案為CPU和筆記型電腦設計高性能模擬風扇控制

半導體製造商所面臨的更加緊迫的市場需求是新技術實現和新設計主要驅動因素之一。此外,客戶對新元件的一個主要需求是更高的元件精密度或更好的系統精密度。透過利用更好的混合訊號元件以及更強的數位處理能力可以獲得這種精密度。為了保持具有競爭力的市場優勢,半導體製造商必須有能力在更小的封裝上同時兼顧這些需求,而且要減少功耗和降低成本。

圖1 AMC6821模組結構圖。

以一種新型專有混合訊號製程HPA07為例,採用此新製程來實現的電晶體具有更快的速度、改良的線性度和更低的噪音。另外,這種電晶體和電容器具有更好的電壓和溫度係數及更好的匹配值。這些改進使得混合訊號產品可達到更高的速度和解析度,並具有更好的線性度、偏移量及增益參數。因而這種新的製程可在不犧牲晶片尺寸和功耗的前提下實現更高的元件整合度。

CPU風扇控制應用

新開發的AMC6821就是一個更高整合度的創新產品設計如何改善消費性應用的標準例子。這種IC的目標應用是筆記型電腦和桌上型PC、網路伺服器、電信設備和基於PC的設備。如圖1所示,這種類比介面電路特別設計成透過使CPU晶片保持在預先設定的、最最佳化的溫度水準來改善CPU的執行。

AMC6821具有一個精密度為0.125℃的溫度感測器,可測量的溫度範圍為-25至+125℃。它可以工作在+2.7至+5.5V之間,採用小的QFN(4×4mm)無鉛綠色封裝。該晶片還採用了自動風扇速度控制循環的專利技術。

一個標準的風扇速度處理器應用程式設計是基於最壞條件參數進行的。許多熱設計參數是可變的,這與用戶或地點有關,例如處理器平均和瞬間功耗、空氣溫度(環境)、空氣密度(海拔)、氣流(取決於PC的位置)以及風扇速度,風扇速度是所施加電壓的函數。使風扇速度直接和處理器節點溫度成比例是一種拙劣的選擇,因為這種關係不會直接補償可變參數的的變化,瞬態性能表現很差,而且還會導致很高的可辨噪音和低的電源或者電池利用率。

圖2:自動風扇速度控制循環系統。

圖2是自動風扇速度控制循環的一個模組結構圖,風扇啟動過程中應用了一個軟啟動演算法。用戶定義參數允許設計者最佳化該系統,應用最小的初始電壓來啟動風扇,逐漸增大此電壓將慢慢加大風扇速度,因而可防止風扇速度從0上升到全速過程中產生惱人的噪音。一旦風扇開始運轉,控制演算法則會調整施加在風扇馬達上的電壓以便CPU溫度保持?定。由設計者定義的控制循環參數可補償系統動態變化。該演算法也會給系統一個良好的瞬態響應,以最少的功率使工作溫度保持在盡可能接近最佳的水準。

AMC6821實現的先進風扇速度控制提供了很多優點:設備啟動過程中低的機械應力和噪音;可預知的處理器工作時的節點溫度(TJ);最佳的熱設計;理想的動態性能,可補償功耗變化的同時保持節點溫度?定;在寬工作範圍內噪音更低;更低的功耗或者更長的電池壽命。

微控制和數位訊號處理方案

ASIC的下一步是使用可程式MCU。TI的MSP430擁有省電但靈活的MCU架構,是各種超低電壓測量應用的一個理想選擇。節電應用例如能量表、可攜式儀器和個人消費性產品常常要求在下一次更換電池前能延長工作時間。

MSP430F2xx系列產品在減少低功率和常規應用系統成本和提高可靠性方面有所增強。其待機電流少於1uA,在1us內能切換至完全同步、160MIPS的工作狀態。相較之前的MSP430F1xx元件,MSP430F2xx在功耗降低一半的情況下可以提供兩倍的處理性能。

MSP430F2xx將性能提高至16MHz,進一步減少了外部元件數量:整合了±2.5%的晶片上振盪器、軟體可選的內部上拉/下拉電阻,增加了類比輸入數量。系統內可程式快閃記憶體也有所改進,它採用更小的64位元組區段,編程時間快到每位元組17us,並具有更低的2.2V編程電壓,因而省去了大部份系統中外部EEPROM。

圖3:ADS7869模組結構圖。

對於要求更苛刻的應用,例如無刷DC、AC感應和永磁發動機的變速控制,可採用數位訊號控制器的TMS320C2000系列。C2000平台設定了馬達控制性能和週邊整合的標準,將TI的DSP技術與週邊電路進行了獨特的結合,這些週邊電路包括快閃記憶體、採樣速率達到12.5MSPS的超快速A/D轉換器、CAN介面模組、編碼器介面以及不用CPU干預就能產生任何波形強大PWM功能。透過功能強大而具有成本效益的C2000控制器平台,如今設計者就擁有可以推進他們創新的工具,並能減少上市時間和整體系統成本。

C2000平台的核心C28x核心是世界上最高性能的控制最佳化控制器,提供150MIPS、32位元DSP的運算頻寬。這個頻寬能夠即時處理複雜的控制演算法,例如提供最佳機械效率和最小轉矩波紋的現場導向控制。C28x架構的高速中斷響應能力可使整體系統瞬態響應最大化。

ADS7869:針對馬達控制的完整類比前端

對於高階應用,例如工業馬達控制,ADS7869是一款完整的類比前端IC。這種IC獨特之處在於它提供了最高的類比和數位整合。它有12路完整的差分類比輸入,3個獨立的採樣率為1MSPS的12位元A/D轉換器,7個採樣保持器,5個多工多工器,7個符號和3個窗口比較器,2個上/下16位元計數器等。它的目標應用包括閉環伺服系統、機器和運動控制、多軸定位和馬達控制。ADS7869的模組結構圖見圖3。

要能夠在短時間內提供3個同步採樣訊號,1MSPS的高速A/D轉換器很關鍵。高速轉換為執行DSP控制演算法提供了更多的時間。當帶正弦輸出的增量編碼器被作為位置感測器,A/D轉換器的輸入訊號在高馬達速度下可達到500kHz。如此高的速度是在ADS7869中整合高速A/D轉換器的另外一個原因。

馬達控制感測器會存在源自乘積變化、溫度漂移或者純匹配的明顯偏移量和增益誤差。為了增加有效測量精密度,ADS7869 A/D轉換器擁有允許硬體增益和偏移量補償的專利電路。用戶根據先前測量的運算結果執行這種補償。24個晶片上專用暫存器為所有12個類比輸入通道儲存偏移量和增益修正值。

三個晶片上符號比較器以及三個窗口比較器加一個數位-類比轉換器(DAC)是專門為電機電流控制提供所有必要訊號而設計。三個帶符號的訊號指示轉換器的輸出電流訊號是正還是負,結果使其可以用一個專門的演算法來補償輸出功率開關如IGBT或者MOSFET的死區。這種補償減少了現有諧波,使馬達可在沒有扭矩振動的情況下平穩執行,在低速下尤為明顯。晶片上DAC為窗口比較器設立了一個過電流保護的基準。三個獨立的比較器允許用戶僅在報告問題的相位上執行校正而不干擾另外兩個相位。這個功能也可用在電流極限逐漸增加時電機的軟啟動裡。

圖4:ADS7869編碼器介面電路。

ADS7869另一個強大的功能是有一個專門的介面直接連接兩個增量正弦編碼器。圖4顯示了ADS7869的編碼器介面電路。

如前所述,來自編碼器的輸入訊號上限期望在500kHz範圍內。為了正確測量這個訊號,A/D轉換器採樣頻率至少為1MSPS。同時編碼器類比訊號會有20%增益和20%偏移量乘積變化。ADS7869 ADC的特定功能可補償這個變化,用全部12位元解析度來實現滿量程訊號擷取。增益在20%到100%之間可調,偏移量在±12.5%滿量程範圍內。在定位系統中,編碼器訊號通常將被PWM循環同步擷取。這種同步擷取的原因是DSP內的控制演算法會在同一個循環中執行,同一時間內所有必要訊號至少要提供一次。編碼器結構圖中的同步採樣訊號能確保同一時刻所有的類比訊號和數據被擷取。另一方面,非同步採樣訊號允許機器達到零點時用戶可在線獲取訊號和數據。這兩個分離的採樣訊號能確保機器一直處於完全控制下所有數據將提供給控制演算法。

由於工業環境存在電氣噪音,設計者會在進入ADS7869的傳輸線和訊號上看到很多干擾。為了克服這個難題,ADS7869為編碼器訊號提供差分類比輸入。這個特性使用戶可以將編碼器部署在機器上,透過很長的電纜傳送訊號而不會遺漏任何有用的資訊。晶片上採樣-保持電路擷取這些差分訊號,A/D轉換器執行轉換,完全消除了任何現有共模噪音。

正弦和餘弦兩個編碼器訊號可以透過採樣-保持電路被擷取,A/D轉換器隨後將它們數位化。同時,為輸入編碼器訊號特別設計兩個晶片上比較器將輸入正弦波訊號轉變成方波訊號。這些訊號直接反饋給兩個專門的上/下16位元計數器。這裡具有一個數位濾波器,以進一步過濾訊號。這個數位濾波器如果被啟動,就會消除小於三個時脈週期的干擾脈衝。然後,經過濾波的訊號再傳送到晶片上的一個額外的狀態機濾波器中。此狀態機只考慮正確的訊號轉換,會忽略所有不規則訊號。

現在,沒有突波、也沒有誤差的訊號被傳遞到16位元上/下計數器。四個蔭影暫存器(shadow register)保存了同步和非同步採樣數據、兩次計數間的時間週期、計數訊號和保持訊號的時間差。這些蔭影暫存器也可以提供關於馬達速度和額外安全特性的數據。ADS7869編碼器專門介面和晶片上專用週邊再加上一個DSP元件,就可使用戶獲得最高達27位元的定位解析度。

作者: Miro Oljaca


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