ZHCU108B June   2015  – March 2025

 

  1.   1
  2.   说明
  3.   资源
  4.   特性
  5.   应用
  6.   6
  7. 1 系统说明
    1. 1.1 设计概述
    2. 1.2 模拟正弦/余弦增量编码器
      1. 1.2.1 正弦/余弦编码器输出信号
      2. 1.2.2 正弦/余弦编码器电气参数示例
    3. 1.3 通过正弦/余弦编码器计算高分辨率位置的方法
      1. 1.3.1 理论方法
        1. 1.3.1.1 概述
        2. 1.3.1.2 粗略分辨率角度计算
        3. 1.3.1.3 精确分辨率角度计算
        4. 1.3.1.4 插值高分辨率角度计算
        5. 1.3.1.5 非理想同步条件下的实际实施情况
        6. 1.3.1.6 分辨率、精度和速度注意事项
    4. 1.4 正弦/余弦编码器参数对模拟电路规范的影响
      1. 1.4.1 相位插值的模拟信号链设计注意事项
      2. 1.4.2 增量计数的比较器功能系统设计
  8. 2 设计特性
    1. 2.1 正弦/余弦编码器接口
    2. 2.2 主机处理器接口
    3. 2.3 评估固件
    4. 2.4 电源管理
    5. 2.5 EMC 抗扰度
  9. 3 方框图
  10. 4 电路设计和元件选型
    1. 4.1 模拟信号链
      1. 4.1.1 带有 16 位双路采样 ADC 的高分辨率信号路径
        1. 4.1.1.1 元件选型
        2. 4.1.1.2 输入信号端接与保护
        3. 4.1.1.3 差分放大器 THS4531A 和 16 位 ADC ADS8354
      2. 4.1.2 面向嵌入式 ADC 的 MCU 的单端输出模拟信号路径
      3. 4.1.3 数字信号 A、B 和 R 的比较器子系统
        1. 4.1.3.1 具有迟滞功能的同相比较器
    2. 4.2 电源管理
      1. 4.2.1 24V 输入转换为 6V 中间电压轨
      2. 4.2.2 编码器电源
      3. 4.2.3 信号链电源 5V 和 3.3V
    3. 4.3 主机处理器接口
      1. 4.3.1 信号描述
      2. 4.3.2 采用具有串行输出的 16 位双路 ADC ADS8354 的高分辨率路径
        1. 4.3.2.1 ADS8354 输入满标量程输出数据格式
        2. 4.3.2.2 ADS8354 串行接口
        3. 4.3.2.3 ADS8354 转换数据读取
        4. 4.3.2.4 ADS8354 寄存器配置
    4. 4.4 编码器连接器
    5. 4.5 设计升级
  11. 5 软件设计
    1. 5.1 概述
    2. 5.2 C2000 Piccolo 固件
    3. 5.3 用户界面
  12. 6 入门
    1. 6.1 TIDA-00176 PCB 概览
    2. 6.2 连接器和跳线设置
      1. 6.2.1 连接器和跳线概述
      2. 6.2.2 默认跳线配置
    3. 6.3 设计评估
      1. 6.3.1 先决条件
      2. 6.3.2 硬件设置
      3. 6.3.3 软件设置
      4. 6.3.4 用户界面
  13. 7 测试结果
    1. 7.1 模拟性能测试
      1. 7.1.1 高分辨率信号路径
        1. 7.1.1.1 编码器连接器至 ADS8354 输入端的模拟路径波德图
        2. 7.1.1.2 整个高分辨率信号路径的性能曲线图 (DFT)
        3. 7.1.1.3 ADC 交流性能定义的背景信息
      2. 7.1.2 差分转单端模拟信号路径
      3. 7.1.3 带数字输出信号 ATTL、BTTL 和 RTTL 的比较器子系统
    2. 7.2 电源测试
      1. 7.2.1 24V DC/DC 输入电源
        1. 7.2.1.1 负载-线路调整
        2. 7.2.1.2 输出电压纹波
        3. 7.2.1.3 开关节点和开关频率
        4. 7.2.1.4 效率
        5. 7.2.1.5 波特图
        6. 7.2.1.6 热像图
      2. 7.2.2 编码器电源输出电压
      3. 7.2.3 5V 和 3.3V 负载点
    3. 7.3 系统性能
      1. 7.3.1 正弦/余弦编码器输出信号仿真
        1. 7.3.1.1 一个周期（增量相位）测试
        2. 7.3.1.2 最大速度时机械旋转一周的测试
    4. 7.4 正弦/余弦编码器系统测试
      1. 7.4.1 零索引标记 R
      2. 7.4.2 功能性系统测试
    5. 7.5 EMC 测试结果
      1. 7.5.1 测试设置
      2. 7.5.2 IEC-61000-4-2 ESD 测试结果
      3. 7.5.3 IEC-61000-4-4 EFT 测试结果
      4. 7.5.4 IEC-61000-4-5 浪涌测试结果
  14. 8 设计文件
    1. 8.1 原理图
    2. 8.2 物料清单
    3. 8.3 PCB 布局指南
      1. 8.3.1 PCB 层图
    4. 8.4 Altium 工程
    5. 8.5 Gerber 文件
    6. 8.6 软件文件
  15. 9 参考资料
  16. 10作者简介
    1.     致谢
  17. 11修订历史记录

4.2.1 24V 输入转换为 6V 中间电压轨

使用一个开关式 DC-DC 转换器来产生 6V 的中间电压轨，为三个 LDO 供电。这基本上是一个必然的选择，因为在 VIN/VOUT 比率较高的情况下，任何 LDO 均不适用于进行电源转换。事实上，任何 LDO 的效率都可以简单地计算为 VOUT/VIN，在最坏情况下（最大 VIN），效率将为 5.25V/36 V≈14%。剩余 86% 的功耗会被 LDO 封装消耗掉：实际上，如果最大电流为 200mA，那么 LDO 封装上消耗的功率将为 36V × 200mA × 86% = 6.2W，这会轻易且迅速地烧毁任何合理的封装。

众所周知，从输入滤波器开始，开关电路的正常运行会产生传导性 EMI。电源开关快速的导通和关断会产生很大的不连续电流。在降压拓扑中，转换器的输入端存在较大的不连续电流（高 di/dt）。输入滤波器的选定值如 图 4-9 中所示。

有关如何设计输入 EMI 滤波器的详细信息，请参阅 AN-2162 DC/DC 转换器传导 EMI 的简易解决方案 (SNVA489) 应用报告。

TIDA-00176 带反极性保护的输入滤波器图 4-9 带反极性保护的输入滤波器

DC/DC 降压转换器的设计满足以下规格：

  • 输入电压：VIN = 17 至 36V，标称值为 24V
  • 输出电压：6V @ 500mA
  • 开关频率：500kHz 标称值
  • 输出电压纹波：最大值 25 mVPP
  • 效率：满负载时 >80%
  • 非隔离拓扑

选用 TPS54040A 的目的在于：该降压转换器具有集成 FET，其输入电压范围为 3.5 至 42V，输出电压范围为 0.8 至 39V，输出电流为 500mA。其频率可在 100kHz 至 2.5MHz 之间调节，也可与外部时钟同步。此外，它还可以被启用和禁用。这些特点使得 TPS54040A 非常适合上述要求/规范。

请注意，TPS54040A 与其低成本版本 TPS5401 引脚对引脚兼容，它与 TPS54040A 性能类似，但输出电压精度较低，启用阈值也不同。

还要注意，TPS54040A 也与 TPS54140A、TPS54240、TPS54340 和 TPS54540 具有引脚对引脚兼容：这拓宽了器件选择范围，并为在未来系统升级时调整成本和功率级别提供了可能性。

TIDA-00176 采用 TPS54040A 的 24V 转 6V DC-DC 降压转换器原理图图 4-10 采用 TPS54040A 的 24V 转 6V DC-DC 降压转换器原理图

有关设计过程的详细介绍，请参阅 TPS54040A 数据表或 TI 参考设计 TIDA-00180。

在典型应用中，通过简单的电阻分压器网络设置输出电压。方程式 12 根据输出电压、基准电压（TPS54040A 为 0.8V）和下电阻器（通常情况下，R10 固定为 10kΩ）计算上电阻器的阻值。

方程式 12. TIDA-00176

当 VOUT = 6V 且 R10 = 10kΩ 时，R7 得出 65kΩ。

6V 输出电压的容差为 6V±4%。此容差是基于反馈电阻 1% 的容差，以及 TPS54040A 内部带隙 ±2% 的容差计算得出。

开关频率在 R8 = 237kΩ 时设置为 500kHz。

在 TPS54040A 原理图中，某些元件标记为不安装 (DNP)。对于由 R4和 C11 构成的缓冲器网络便是如此。TPS540040A 的设计无需该缓冲器网络。缓冲器网络可减少开关节点上的振铃以及 MOSFET 过冲（如需）。有关如何使用和计算缓冲器网络的详细信息，请参阅针对 NexFETTM 高性能 MOSFET 的振铃减少技术 (SLPA010) 应用说明。