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(多图) 嵌入式系统中电源电压的精确控制应用

中国传动网?? 2010年03月11日 ?? 收藏0

  概要

  该项目的目标是设计一个高效电源系统,其输出电压(VOUT)可以数字调节。为了保证输出电压的精确性,采用数字闭环控制,用于修正失调、漂移和负载变化(最大至600mA)的影响。电路包括输出可调的降压型控制器、ADC与DAC、电压基准以及一个微控制器(MCU)。

  在大多数DC-DC转换器中,位于FB引脚上的电阻网络可以调整转换器的输出电压(见图1)。在本文电路中,利用DAC输出电压(VDAC)改变电阻网路的基准电压,达到调整转换器输出(VOUT)的目的。ADC检测输出电压,并将结果送入微处理器。微处理器调整DAC输出,以控制系统输出电压达到预定值。为使电路尽可能简单,预设输出电压通过PC的串行通信口(RS-232)送入微处理器。这个系统在一些需要精确控制供电电压的嵌入式系统中非常有用。例如为ASIC、DSP或者MCU供电的电源,电源电压对应于处理器的工作速率。将供电电压调整到工作速率对应的最小电压,可以降低处理器功耗。

位于FB引脚上的电阻网络可以调整转换器的输出电压

图1

  电路所需器件和开发工具

  系统的主电源选择低静态电流、输出1.25V~5.5V可调的降压型调节器MAX1692,它可以提供最大600mA的电流。MAX1692评估板提供了一个经过验证的电路布局和推荐输入电容、输出电容和电感量。MAX1692反馈引脚电阻网络的偏置由低功耗、12位DAC提供,MAX5302可以提供2.5mA的负载驱动。DAC基准电压为2.5V。电压调节器输出电压由低功耗、12位ADC(MAX1286)读取, MAX1286能自动关断,可以在转换之间减少电源消耗。ADC基准由高精度5V电压基准MAX6126 提供。ADC和DAC均采用SPI口通信。高精度电压基准包括输出检测和地检测引脚,将其连接到ADC的基准和地引脚。这样可以保证ADC具有最高准度的基准电压。

供电系统的模拟部分产生一路负载可达600mA

图2 供电系统的模拟部分产生一路负载可达600mA、1.25V~5V可调的高准确度输出电压

  微处理器选择高速的8051兼容微处理器DS89C420,使用32MHz晶体。该微处理器的绝大多数指令为单指令周期,可以运行在32MIPS。处理器可以由J1口在线编程(见图3)。DS89C420/430/440/450系列用户手册介绍了如何通过PC串行通信口,利用微软的超级终端(HyperTermina)下载固件。处理器固件用C编写并可使用免费的Sourceforge Small Devices C编译器(SDCC)编译。

处理器可以由J1口在线编程

图3 供电系统的数字部分需要一个稳定的5V电源(与模拟部分共用),数字部分通过逐位控制的SPI接口与DAC、ADC通信。串行收发器(U8)从PC接收VOUT设定值,J1提供MCU的在线编程。

  模拟电路设计

  为计算电阻网络中的R1、R2和R3 (见图2),先假设流入FB引脚的电流(IFB)可以忽略(MAX1692规格表给出的最大值为50nA),设R2为49.9kΩ。FB引脚电压为1.25V,电流I2为25mA,远高于50nA,证明忽略IFB的决定是正确的。最后,计算R1和R2:

  DAC输出电压(VDAC)为最大值2.5V时,降压调节器的输出(VOUT)应该为最小值1.25V。代入式1:

  第一项为零,得到R3为50 kΩ。当VDAC 为最小值0V时, VOUT 应该为最大值5V。代入式1 :

  得到R1值为75kΩ。

  ADC采集VOUT并将其通过SPI接口传送给MCU,形成闭环数字控制。

  数字电路设计

  DAC和ADC由逐位控制的SPI总线和MCU通信。MCU是主器件,而DAC和ADC是从器件。MCU的5个引脚分别作为SCLK、MOSI、MISO、CSADC(ADC片选)、CSDAC(DAC片选)。总线上的器件共用SCLK,为达到最高通信速度,使用32MHz的晶体供给MCU系统时钟。MCU通过PC串口接收VOUT值。MAX3311是RS-232收发器,将RS-232电平转为TTL/COMS电平。

  布局考虑

  使用宽的引线连接所有无源器件(旁路电容、补偿电容、输入电容、输出电容和电感)与降压转换器。这些元件和FB引脚的电阻网络应尽可能靠近降压转换器,以减小PCB引线电阻和噪声干扰。降压转换器处需要大面积的覆铜,以降低IC在重负载下的工作温度。可以参考MAX1692评估板。为保持信号完整性,必须尽可能将模拟信号线和数字信号线隔离开。将DAC和ADC靠近降压器放置,用短线连接所有模拟信号。数字信号在另一方向连接到MCU。尽可能将电压基准靠近ADC,提供电压基准的电压反馈线用较短的隔离线连接到ADC的REF 和GND引脚,以保证ADC的转换精度。

  必须确保MCU下方没有高速信号线。同时,32MHz时钟晶体尽可能靠近MCU的输入引脚。如同所有PCB布线一样,不允许存在90°引线转角,所有IC电源都用0.1μF陶瓷电容旁路,并且尽可能地靠近供电引脚安装。


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电源? 嵌入式系统? DS89C420?

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