嵌入式系统中电源电压的精确控制

电 源 技 术 特 刊 92 2006.7 www.eaw.com.cn 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ASICDSP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 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 A D C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 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 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49.9kFB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 (1) 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 嵌入式系统中电源电压的精确控制 Maxim公司 Simon Bramble, Paul Holden 图1降压转换器调整VOUT使FB引脚的 反馈电压和内部基准电压相等 图2 供电系统的模拟部分产生一路负载可达600mA1.25V~5V 可调的高准确度输出电压 万方数据万方数据 2006.7 www.eaw.com.cn 93 电 源 技 术 特 刊 >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> 第一项为零 得到R3为50 k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75k 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 SCLKMOSIMISOCSADC(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0.1F陶瓷电容旁路 并且尽 可能地靠近供电引脚安装 软件 本系统MCU软件通过PC串口获取要设定的VOUT对应由 ADC采样得到的降压转换器输出电压 由于MCU是8位总线 而ADC是12位分辨率将字节左移4位(相当于乘以16)4位 最低有效位置零 软件用C编写 可从Maxim网站下载 测试结果 即便是满负载 该系统也可以正确地将转换器的输出电压 控制在设定电压的1% 误差内 由ADC得到的反馈可以补偿负 载变化 失调和输出电压漂移 以准确控制输出电压 图4a和 图4b是电源电压在1mA负载时的性能 图5a表示VOUT和VDAC 在VOUT 由4.5V转变到1.5V时的变化 图5b为VOUT和VDAC在 VOUT 由1.5V转变到4.5V时的变化 从中可以看出VOUT 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DACADC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 图4 波形显示了负载电流为1mA时 降压转换器输出电压(VOUT)和 DAC的输出电压(VDAC) 图a为VOUT从4.5V到1.5V变化时的VOUT和 VDAC波形 图b为VOUT从1.5V到4.5V变化时的VOUT 和 VDAC波形 图5. 波形显示了负载电流为350mA时 降压转换器输出电压(VOUT) 和DAC的输出电压(VDAC) 图a为VOUT从4.5V到1.5V变化时的VOUT 和VDAC波形 图b为VOUT从1.5V到4.5V变化时的VOUT 和 VDAC波形 101 万方数据万方数据 2006.7 www.eaw.com.cn 101 电 源 技 术 特 刊 >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> 池的电流 必须检测充电电流 如图2所示 电流检测元件并 没有与电池串联 SEPIC稳压器次级绕组Ls承载平均输出电流 初级绕组Lp承载平均输入电流 次级电阻Rs用来检测电池充 电电流 高速模拟PWM参考输入则决定电池充电电流 混合信号设计 利用MCP1630作为模拟PWM和驱动器 可以获得一个可 编程的SEPIC电流源 PWM和驱动器提供模拟稳流功能 MOSFET栅极驱动以及高速过流保护 PIC12F683单片机设定 SEPIC电源开关频率(500 kHz)并编程设定SEPIC恒定输出电 流 PWM和驱动器利用单片机中的硬件PWM来设定SEPIC开 关频率和最大占空比 硬件PWM频率等于SEPIC电源开关频 率 同时 硬件PWM占空比确定了最大SEPIC电源占空比 单片机的硬件PWM输出500 kHz25%占空比的脉冲将SEPIC 开关频率设定为500 kHz最大占空比75% 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 单片机I/O引 脚利用简单的RC滤波器生成软件可编程的参考电压 这一可 编程的参考电压用来设定SEPIC转换器输出精确恒定的充电电 流 在同相输入(Vref)端 可编程参考电压确定了电池充电电流 值 调整MCP1630 PWM输出占空比(Vext) 直到Vref输入电压 与误差放大器FB输入端电压相等 通过调节Vref 输入引脚的 电压就可相应调整电池电流 PWM和驱动器能够以大于 500 kHz的频率驱动MOSFET 同时利用一个内部高速(典型值为12ns)比较器来监测SEPIC开 关电流 如果开关电流太大 PWM占空比就会为0 从而限制 电池电流 最后 充电电流还将根据来自ADC的电池电压和温度等信 息进行调节 要进入恒压充电阶段 单片机的ADC读取电池电压并更新 可编程电流源(SEPIC)以保持电池电压为4.2V这一过程的 电池电压变化速率远快于恒流充电时的速率 对于锂离子电池 当维持电池电压为4.2V所需要的电流降 低到一定值(100mA)时 充电周期结束 这是利用固件设定的 并且可以方便地修改以满足不同电池生产商的推荐值 在典型 的模拟充电器中 充电结束电流是充电周期电流的一定比例 因此不容易改变 对镍氢电池 快速充电阶段结束时 需要满足下面一个条 件或同时满足两个条件 电池电压保持恒定或随着时间下降 或者电池组温度高于预定值 快速充电结束后 就开始进行定 时涓流浮充 ADC输入和电池组热电偶相配合可以检测电池温度 通过 读出 TEMP_SENSE输入端的电压 可以确定电池温度 当检测到电池电压太高时 PIC12F683 中断代码可以提供 过压保护(OV)SEPIC转换器在不到1ms的时间内关断 在电 池端接端造成的电压过冲最小 SEPIC转换器二极管阻止电池向充电器放电 从电池流出 的静态电流只有电池电压检测一个通道 此时的电流大小通常 不到5 mA 可选的特性 此外 结合一个单片机和多个高速模拟PWM模块还可以 增加更多功能 例如针对多组电池充电应用的充电器组 异相 开关技术以及输入电源预算功能 结语 在开发电池充电器时采用混合信号方式 可以充分发挥模 拟和数字两方面的优点 基于混合信号的设计支持高频工作 (500kHz)高速保护(12ns,从电流检测到输出)并可将滤波器 件的尺寸缩到最小 此外 系统的可编程数字功能还可以准确 判断充电的不同阶段并设定充电电流 由于可以容易地进行电流设置和编程 因此 通过固件就 可以支持新的电池充电方法 这种设计并不仅仅适用于锂离子 和镍氢电池 同时还可通过编程支持未来的可充电技术 93 的下降速率比上升速率慢很多 这是由于输出大电容放电 所致(见图2的C16)转换器可以非常快地对电容充电 但负载没 有办法使电容快速放电 注意电压的变化速率非常接近 因为 350mA负载可以使电容足够快地放电 这样,一个足够大的负载 可以使VOUT以同样速率增加或减小 虽然电压可以准确控制 但测试结果也提醒我们系统存在的 某些问题 图4a显示反馈系统会上冲或下冲 这是由软件程序循 环的占用时间引起的 图4a显示VOUT达到设定值之前,VDAC增大 到它的最大值 当VOUT最后达到设定值 VDAC必须减小 降低 DAC输出电压需要时间 这导致VOUT下冲 理想情况下 VDAC 必须和VOUT以同样速度变化 但是 在系统负载达到一定水平之 前无法实现这一平衡 该系统需要100s 用以调整大的输出 电压变化 因为软件需要在ADC采样后逐位改变VDAC为了使 VOUT从5V变到1.25VMCU必须让12位DAC的电压增加4,095 次 同时对VOUT 采样4,095次 每次ADC采样都需要耗费采样 时间和转换时间 万方数据万方数据 嵌入式系统中电源电压的精确控制 作者： Simon Bramble， Paul Holden 作者单位： Maxim公司 刊名： 电子设计应用 英文刊名： ELECTRONIC DESIGN & APPLICATION WORLD-NIKKEI ELECTRONICS CHINA 年，卷(期)： 2006，""(7) 被引用次数： 0次 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_dzsjyy200607015.aspx 授权使用：国电南京自动化股份有限公司(wfgdnz)，授权号：d80837e2-6619-4587-b88a-9e3000cc5e78 下载时间：2010年11月16日