嵌入式系统中电源电压的精确控制应用

作者：时间：2009-05-07来源：网络收藏

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：
　　（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：
　　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。

　　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。