基于嵌入式系統(tǒng)中電源電壓的精確控制應(yīng)用

1、基于嵌入式系統(tǒng)中電源電壓的精確控制應(yīng)用該項(xiàng)目的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)高效電源系統(tǒng)，其輸出（vout）可以數(shù)字調(diào)整。為了保證輸出電壓的精確性，采納數(shù)字閉環(huán)控制，用于修正失調(diào)、漂移和負(fù)載變幻（最大至600ma）的影響。包括輸出可調(diào)的降壓型控制器、與、電壓基準(zhǔn)以及一個(gè)微控制器（）。在大多數(shù)dc-dc轉(zhuǎn)換器中，位于fb引腳上的網(wǎng)絡(luò)可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓（見圖1）。在本文電路中，利用dac輸出電壓（vdac）轉(zhuǎn)變電阻網(wǎng)路的基準(zhǔn)電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器輸出（vout）的目的。adc檢測(cè)輸出電壓，并將結(jié)果送入微處理器。微處理器調(diào)節(jié)dac輸出，以控制系統(tǒng)輸出電壓達(dá)到預(yù)定值。為使電路盡可能容易，預(yù)設(shè)輸出電壓通過(guò)pc的串行

2、通信口（rs-232）送入微處理器。這個(gè)系統(tǒng)在一些需要精確控制供電電壓的系統(tǒng)中十分實(shí)用。例如為asic、或者mcu供電的電源，電源電壓對(duì)應(yīng)于處理器的工作速率。將供電電壓調(diào)節(jié)到工作速率對(duì)應(yīng)的最小電壓，可以降低處理器功耗。電路所需器件和開發(fā)工具系統(tǒng)的主電源挑選低靜態(tài)、輸出1.25v5.5v可調(diào)的降壓型調(diào)整器max1692，它可以提供最大600ma的電流。max1692*估板提供了一個(gè)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的電路布局和推舉輸入、輸出電容和量。max1692反饋引腳電阻網(wǎng)絡(luò)的偏置由低功耗、12位dac提供，max5302可以提供2.5ma的負(fù)載驅(qū)動(dòng)。dac基準(zhǔn)電壓為2.5v。電壓調(diào)整器輸出電壓由低功耗、12位adc

3、（max1286）讀取， max1286能自動(dòng)關(guān)斷，可以在轉(zhuǎn)換之間削減電源消耗。adc基準(zhǔn)由高精度5v電壓基準(zhǔn)max6126 提供。adc和dac均采納spi口通信。高精度電壓基準(zhǔn)包括輸出檢測(cè)和地檢測(cè)引腳，將其銜接到adc的基準(zhǔn)和地引腳。這樣可以保證adc具有最高準(zhǔn)度的基準(zhǔn)電壓。圖2 供電系統(tǒng)的模擬部分產(chǎn)生一路負(fù)載可達(dá)600ma、1.25v5v可調(diào)的高精確度輸出電壓微處理器挑選高速的8051兼容微處理器ds89c420，用法32mhz晶體。該微處理器的絕大多數(shù)命令為單命令周期，可以運(yùn)行在32。處理器可以由j1口在線編程（見圖3）。ds89c420/430/440/450系列用戶手冊(cè)介紹了如何通

4、過(guò)pc串行通信口，利用微軟的超級(jí)終端（hypertermina）下載固件。處理器固件用c編寫并可用法免費(fèi)的sourceforge small devices c編譯器（sdcc）編譯。圖3供電系統(tǒng)的數(shù)字部分需要一個(gè)穩(wěn)定的5v電源（與模擬部分共用），數(shù)字部分通過(guò)逐位控制的spi接口與dac、adc通信。串行（u8）從pc接收vout設(shè)定值，j1提供mcu的在線編程。設(shè)計(jì)為計(jì)算電阻網(wǎng)絡(luò)中的r1、r2和r3 （見圖2），先假設(shè)流入fb引腳的電流（ifb）可以忽視（max1692規(guī)格表給出的最大值為50na），設(shè)r2為49.9k。fb引腳電壓為1.25v，電流i2為25ma，遠(yuǎn)高于50na，證實(shí)忽視i

5、fb的打算是正確的。dac輸出電壓（vdac）為最大值2.5v時(shí)，降壓調(diào)整器的輸出（vout）應(yīng)當(dāng)為最小值1.25v。第一項(xiàng)為零，得到r3為50 k。當(dāng)vdac 為最小值0v時(shí), vout 應(yīng)當(dāng)為最大值5v。得到r1值為75k。adc采集vout并將其通過(guò)spi接口傳送給mcu，形成閉環(huán)數(shù)字控制。數(shù)字電路設(shè)計(jì)dac和adc由逐位控制的spi和mcu通信。mcu是主器件，而dac和adc是從器件。mcu的5個(gè)引腳分離作為sclk、mosi、miso、csadc（adc片選）、csdac（dac片選）。總線上的器件共用sclk，為達(dá)到最高通信速度，用法32mhz的晶體供應(yīng)mcu系統(tǒng)時(shí)鐘。mcu通過(guò)

6、pc串口接收vout值。max3311是rs-232收發(fā)器，將rs-232電平轉(zhuǎn)為ttl/coms電平。布局考慮用法寬的引線銜接全部無(wú)源器件（旁路電容、補(bǔ)償電容、輸入電容、輸出電容和電感）與降壓轉(zhuǎn)換器。這些元件和fb引腳的電阻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡可能逼近降壓轉(zhuǎn)換器，以減小引線電阻和噪聲干擾。降壓轉(zhuǎn)換器處需要大面積的覆銅，以降低ic在重負(fù)載下的工作溫度?？梢詤⒖糾ax1692*估板。為保持信號(hào)完整性，必需盡可能將模擬信號(hào)線和數(shù)字信號(hào)線隔離開。將dac和adc逼近降壓器放置，用短線銜接全部模擬信號(hào)。數(shù)字信號(hào)在另一方向銜接到mcu。盡可能將電壓基準(zhǔn)逼近adc，提供電壓基準(zhǔn)的電壓反饋線用較短的隔離線銜接到adc的

7、ref 和gnd引腳，以保證adc的轉(zhuǎn)換精度。必需確保mcu下方?jīng)]有高速信號(hào)線。同時(shí)，32mhz時(shí)鐘晶體盡可能逼近mcu的輸入引腳。猶如全部pcb布線一樣，不允許存在90°引線轉(zhuǎn)角，全部ic電源都用0.1f陶瓷電容旁路，并且盡可能地逼近供電引腳安裝。軟 件本系統(tǒng)mcu軟件通過(guò)pc串口獵取要設(shè)定的vout，對(duì)應(yīng)由adc采樣得到的降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓。因?yàn)閙cu是8位總線，而adc是12位辨別率，將字節(jié)左移4位（相當(dāng)于乘以16），4位最低有效位置零。軟件用c編寫，可從網(wǎng)站下載。測(cè)試結(jié)果即便是滿負(fù)載，該系統(tǒng)也可以正確地將轉(zhuǎn)換器的輸出電壓控制在設(shè)定電壓的1% 誤差內(nèi)。由adc得到的反饋可以補(bǔ)償

8、負(fù)載變幻、失調(diào)和輸出電壓漂移，以精確控制輸出電壓。圖4a和圖4b是電源電壓在1ma負(fù)載時(shí)的性能，圖5a表示vout和vdac在vout 由4.5v改變到1.5v時(shí)的變幻，圖5b為vout和vdac在vout 由1.5v改變到4.5v時(shí)的變幻。從中可以看出vout的下降速率比升高速率慢無(wú)數(shù)。這是因?yàn)檩敵龃箅娙莘烹娝拢ㄒ妶D2的c16）。轉(zhuǎn)換器可以十分快地對(duì)電容充電，但負(fù)載沒有方法使電容迅速放電。注重電壓的變幻速率十分臨近，由于350ma負(fù)載可以使電容足夠快地放電。這樣,一個(gè)足夠大的負(fù)載可以使vout以同樣速率增強(qiáng)或減小。圖4波形顯示了負(fù)載電流為1ma時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓（vout）和dac的輸

9、出電壓（vdac）。圖a為vout從4.5v到1.5v變幻時(shí)的vout和vdac波形；圖b為vout從1.5v到4.5v變幻時(shí)的vout 和 vdac波形。圖5波形顯示了負(fù)載電流為350ma時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓（vout）和dac的輸出電壓（vdac）。圖a為vout從4.5v到1.5v變幻時(shí)的vout和vdac波形；圖b為vout從1.5v到4.5v變幻時(shí)的vout 和 vdac波形。雖然電壓可以精確控制，但測(cè)試結(jié)果也提示我們系統(tǒng)存在的某些問(wèn)題，圖4a顯示反饋系統(tǒng)會(huì)上沖或下沖。這是由軟件程序循環(huán)的占用時(shí)光引起的。圖4a顯示vout達(dá)到設(shè)定值之前,vdac增大到它的最大值。當(dāng)vout最后達(dá)到設(shè)定值，vdac必需減小，降低dac輸出電壓需要時(shí)光，這導(dǎo)致vout下沖。抱負(fù)狀況下，vdac必需和vout以同樣速度變幻，但是，在系統(tǒng)負(fù)載達(dá)到一定水平之前