基于嵌入式系统中电源电压的精确控制应用

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　　概 要

　　该项目的目标是设计一个高效高频开关电源系统，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。

　　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*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。

　　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。

　　图3

　　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。

　　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。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。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*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，该高频开关电源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。

　　图4

　　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

　　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。

　　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，在高频开关电源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100μs，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1.25V，MCU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。

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