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            基于嵌入式系统可调节输出电压的高效电源设计

            2018年07月12日 10:15 次阅读

            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。

            基于嵌入式系统可调节输出电压的高效电源设计

            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。

            基于嵌入式系统可调节输出电压的高效电源设计

            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。

            基于嵌入式系统可调节输出电压的高效电源设计

            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。

            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。 

            基于嵌入式系统可调节输出电压的高效电源设计

            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

            基于嵌入式系统可调节输出电压的高效电源设计

            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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            发表于 2018-07-05 09:23 588次阅读
            如何简单快速的来打造MCU性能分析利器的详细资料...

            ARM和嵌入式系统方向介绍

            发表于 2018-07-05 08:04 62次阅读
            ARM和嵌入式系统方向介绍

            介绍ST MCU官网的包含内容

            ST MCU官网介绍

            发表于 2018-07-05 01:03 106次阅读
            介绍ST MCU官网的包含内容

            介绍通过ST官网申请MCU免费样片的过程

            如何通过ST官网申请MCU免费样片

            发表于 2018-07-05 00:05 108次阅读
            介绍通过ST官网申请MCU免费样片的过程

            你的MCU不只这么强大

            当前的生活节奏越来越快,对计算处理器的要求也越来越高。即使是有摩尔定律的限制,人们仍然希望在单个芯片...

            发表于 2018-07-04 14:14 303次阅读
            你的MCU不只这么强大

            美国微芯科技公司推出了两款全新的tinyAVR®...

            Microchip的MCU8产品部副总裁Steve Drehobl表示:“我们一直在为推出新型AVR...

            发表于 2018-07-04 11:39 368次阅读
            美国微芯科技公司推出了两款全新的tinyAVR®...

            STM32F103C8-PKT评估板演示代码与手册等相关资料下载

            发表于 2018-07-04 01:58 56次阅读
            STM32F103C8-PKT评估板演示代码与手册等相关资料下载

            ARM快速嵌入式系统原型设计下载地址

            发表于 2018-07-04 00:00 29次阅读
            ARM快速嵌入式系统原型设计下载地址

            【精选问答】TI 低功耗无线 MCU 对物联网的推动及应用

            发表于 2018-07-03 15:46 317次阅读
            【精选问答】TI 低功耗无线 MCU 对物联网的推动及应用

            Microchip推出两款全新tinyAVR® ...

            ATtiny3217和ATtiny3216是Microchip tinyAVR® 产品系列中存储器最...

            发表于 2018-07-03 14:33 955次阅读
            Microchip推出两款全新tinyAVR® ...

            适合DFU的微控制器都有哪些你知道吗?

            几乎所有的嵌入式系统都需要能够在现场更新其固件,从而添加新特性或修复漏洞。然而,固件现场更新可能会颇...

            发表于 2018-07-03 10:20 174次阅读
            适合DFU的微控制器都有哪些你知道吗?

            dsPIC33EP GS系列是Microchip...

            凭借这些特性及其整体的高性能,dsPIC33EP“GS”系列产品适用于广泛的应用领域,涵盖以下应用市...

            发表于 2018-07-03 08:42 296次阅读
            dsPIC33EP GS系列是Microchip...

            介绍STM32L0实现超低功耗

            STM32L0 超低功耗新突破

            发表于 2018-07-03 04:20 155次阅读
            介绍STM32L0实现超低功耗

            介绍STM32L496G开发套件的特点及应用

            STM32L496G套件介绍

            发表于 2018-07-03 03:37 189次阅读
            介绍STM32L496G开发套件的特点及应用

            嵌入式系统的C语言译自《C for Embedded Systems》讲稿(共98页pdf电子书下载)

            发表于 2018-07-02 05:21 30次阅读
            嵌入式系统的C语言译自《C for Embedded Systems》讲稿(共98页pdf电子书下载)

            STM32F7有别于其它相同内核的MCU的几个特性

            发表于 2018-07-02 05:17 62次阅读
            STM32F7有别于其它相同内核的MCU的几个特性

            告诉你制作单片机需要哪些知识?

            然后开始写操作系统前置:ucos(嵌入式操作系统)系统宏定义,系统功能配置,系统头文件,初始化文件,...

            发表于 2018-06-29 15:34 440次阅读
            告诉你制作单片机需要哪些知识?

            关于LPC产品和工具链接的介绍(一)

            产品组合、路线图、关键功能、LPCOpen、LPCXpresso。

            发表于 2018-06-29 11:33 176次阅读
            关于LPC产品和工具链接的介绍(一)

            下一代S32K微控制器系列的介绍(一)

            本次会议概述了下一代S32K微控制器系列以及使用最新MCU功能所带来的系统解决方案优势。

            发表于 2018-06-29 10:31 180次阅读
            下一代S32K微控制器系列的介绍(一)

            SimpleLink™蓝牙低功耗CC2640R2F无线MCU

            发表于 2018-06-29 09:37 555次阅读
            SimpleLink™蓝牙低功耗CC2640R2F无线MCU

            关于恩智浦LPC产品系列的关键功能的介绍(三)

            我们将带您了解LPC800和LPC1100产品系列的关键功能,以及这些低功耗、低成本MCU如何带来与...

            发表于 2018-06-28 19:50 159次阅读
            关于恩智浦LPC产品系列的关键功能的介绍(三)

            关于Kinetis KE1x系列的介绍

            Kinetis KE1x系列是Kinetis E系列中的下一代MCU解决方案。该系列设计有更大内存、...

            发表于 2018-06-28 19:41 168次阅读
            关于Kinetis KE1x系列的介绍

            关于LPC产品系列的关键功能介绍(一)

            我们将带您了解LPC800和LPC1100产品系列的关键功能,以及这些低功耗、低成本MCU如何带来与...

            发表于 2018-06-28 19:21 236次阅读
            关于LPC产品系列的关键功能介绍(一)

            解读LPC MCU在低功耗市场的竞争力(三)

            低功耗是一个系统级挑战。不幸的是,没有一个功能能够解决这个挑战。借助LPC,我们将关注于在广泛的产品...

            发表于 2018-06-28 18:49 225次阅读
            解读LPC MCU在低功耗市场的竞争力(三)

            关于恩智浦高性能智能搅拌机的技术介绍

            采用恩智浦的LPC MCU和NFC技术的高性能智能搅拌机

            发表于 2018-06-28 17:34 177次阅读
            关于恩智浦高性能智能搅拌机的技术介绍

            关于Kinetis Expert工具的介绍与使用...

            在本课程中,我们要了解将要取代Processor Expert功能的下一代Kinetis Exper...

            发表于 2018-06-28 17:04 184次阅读
            关于Kinetis Expert工具的介绍与使用...

            关于LPC产品系列的关键功能介绍(二)

            我们将带您了解LPC800和LPC1100产品系列的关键功能,以及这些低功耗、低成本MCU如何带来与...

            发表于 2018-06-28 16:33 275次阅读
            关于LPC产品系列的关键功能介绍(二)

            两岸8吋晶圆代工报价第3季确定调涨,6吋晶圆代工...

            MCU供应商强调,尽管整个芯片成本仅占终端产品约20~30%,其中又细分好几种芯片,即便自家MCU性...

            发表于 2018-06-28 16:13 315次阅读
            两岸8吋晶圆代工报价第3季确定调涨,6吋晶圆代工...

            关于Kinetis KV5x的介绍与应用(一)

            Kinetis KV5x是恩智浦MCU发布的首个ARM® Cortex®-M7产品,提供强大的CPU...

            发表于 2018-06-28 16:08 201次阅读
            关于Kinetis KV5x的介绍与应用(一)

            关于Kinetis KV5x的介绍与应用(二)

            Kinetis KV5x是恩智浦MCU发布的首个ARM® Cortex®-M7产品,提供强大的CPU...

            发表于 2018-06-28 14:34 303次阅读
            关于Kinetis KV5x的介绍与应用(二)

            关于下一代S32K微控制器系列的介绍(二)

            本次会议概述了下一代S32K微控制器系列以及使用最新MCU功能所带来的系统解决方案优势。

            发表于 2018-06-28 10:55 276次阅读
            关于下一代S32K微控制器系列的介绍(二)

            关于Kinetis Expert工具的介绍与使用...

            在本课程中,我们要了解将要取代Processor Expert功能的下一代Kinetis Exper...

            发表于 2018-06-28 09:53 306次阅读
            关于Kinetis Expert工具的介绍与使用...

            关于LPC产品和工具链接的介绍(三)

            产品组合、路线图、关键功能、LPCOpen、LPCXpresso。

            发表于 2018-06-28 09:37 286次阅读
            关于LPC产品和工具链接的介绍(三)

            无线充电并不神秘,反而是鸡肋?

            无线充我在我分享的时候,我只是想很平静与大家聊一聊,来看一下无线充到底是一个什么样的产品,它在电子产...

            发表于 2018-06-28 08:41 890次阅读
            无线充电并不神秘,反而是鸡肋?

            Atmel提供先进MCU:产品定位特别针对携式医...

            根据联合国的调查报告,全球人口在2045年将达90亿人,其中老年人将占总人口数的22%。随着全球人...

            发表于 2018-06-26 16:26 262次阅读
            Atmel提供先进MCU:产品定位特别针对携式医...

            Microchip推首款提供稳健芯片级安全的Io...

            随着物联网(IoT)终端的蓬勃发展,安全有时被许多设计人员抛之脑后,这增加了泄漏知识产权(IP)和敏...

            发表于 2018-06-26 10:56 1712次阅读
            Microchip推首款提供稳健芯片级安全的Io...

            芯片价格大幅上涨 谁将引领国产MCU未来?

            32位MCU厂商众多,但我们相信中颖,HK(航顺),GD(兆易)必将引领国产替代进口MCU之未来。

            发表于 2018-06-25 14:51 523次阅读
            芯片价格大幅上涨 谁将引领国产MCU未来?

            异常和中断处理简介

            任何一种中断模式都可以通过手动的修改cpsr的值来进入。但是User和System模式是仅有的2个不...

            发表于 2018-06-25 10:49 561次阅读
            异常和中断处理简介

            TI CC1352R多波段多协议无线MCU解决方...

            本文介绍了CC1352R主要特性,框图,物联网(IoT)网关参考设计TIDC-01002主要特性,硬...

            发表于 2018-06-24 09:26 577次阅读
            TI CC1352R多波段多协议无线MCU解决方...

            采用电容触控技术简化智能音箱的人机界面

            不久的将来,智能音箱和家庭助手将随处可见。根据朱尼普研究公司的数据显示,在2022年前,将有超过70...

            发表于 2018-06-22 17:00 1300次阅读
            采用电容触控技术简化智能音箱的人机界面

            可以用一杯热水驱动的微控制器

            ST近日发布首批超低功耗创新技术的8位微控制器。以节省运行和待机功耗为特色,用一颗土豆、一杯热水即可...

            发表于 2018-06-22 16:35 215次阅读
            可以用一杯热水驱动的微控制器

            如何利用MCU流畅的播放视频?

            Cortex-M7处理器的核心本质为微控制器,却拥有高达600MHz的主频,高密度的512KB TC...

            发表于 2018-06-22 16:18 729次阅读
            如何利用MCU流畅的播放视频?

            涨价潮伤害中国厂商 谁将引领国产MCU未来?

            2017年12英寸硅晶圆供不应求且价格逐季调涨,随着第三季旺季需求上升,加上8吋晶圆代工短期难再大幅...

            发表于 2018-06-22 15:55 636次阅读
            涨价潮伤害中国厂商 谁将引领国产MCU未来?

            嵌入式系统的定义及嵌入式系统的开发流程

            建立交叉开发环境:安装交叉编译工具链(如arm-linux-gcc)、安装开发调试工具、设置好环境变...

            发表于 2018-06-22 15:16 476次阅读
            嵌入式系统的定义及嵌入式系统的开发流程

            企业如何激发创新内在动力

            X大奖基金会CEO介绍我们如何创造富足的未来,企业实现突破和激发创新的内在动力。

            发表于 2018-06-21 09:50 264次阅读
            企业如何激发创新内在动力

            AWBus-lite的拓扑结构及应用设计

            为了管理系统中各式各样的硬件设备(或虚拟硬件设备),AWorks推出了领先的轻量级总线管理框架:AW...

            发表于 2018-06-21 09:10 635次阅读
            AWBus-lite的拓扑结构及应用设计

            聊聊单片机8051的发展史

            无所不在的处理器,对厂商来说,等于是无可限量的商机。因此,许多处理器应用架构都想要取代8051当市场...

            发表于 2018-06-19 15:55 769次阅读
            聊聊单片机8051的发展史

            输入部分电路的设计,按键部分硬件电路部分应用实例

            在目前MCU应用领域里,很多场合都离不开开关信号,这些开关信号的实现都是通过按键操作实现。而传统的按...

            发表于 2018-06-19 09:03 559次阅读
            输入部分电路的设计,按键部分硬件电路部分应用实例

            二十个必须要掌握的模拟电路你了解多少个?

            拟电路的掌握分为三个层次。初级层次是熟练记住这二十个电路,清楚这二十个电路的作用。只要是电子爱好者,...

            发表于 2018-06-18 17:43 436次阅读
            二十个必须要掌握的模拟电路你了解多少个?

            模拟电路设计面对的节点和代工挑战

            模拟设计从来都不容易。工程师们可以把整个职业生涯都花在锁相环(PLL)上,因为要让它们正确,就需要深...

            发表于 2018-06-15 17:32 505次阅读
            模拟电路设计面对的节点和代工挑战

            嵌入式工程师应该如何解决物联网数据采集需求?

            最近物联网(IoT)相关的文章充斥在许多电子工程杂志。众所周知虽然物联网的服务五花八门包罗万象,但有...

            发表于 2018-06-15 11:04 1308次阅读
            嵌入式工程师应该如何解决物联网数据采集需求?

            关于瑞萨电子工具e8a的讲座

            本讲座由瑞萨电子公司MCU产品中心钟雪日为大家讲述:瑞萨电子工具e8a。

            发表于 2018-06-14 16:12 303次阅读
            关于瑞萨电子工具e8a的讲座

            介绍了解MCU电力线通信解决方案

            瑞萨电子公司李天太为大家讲述:MCU电力线通信(PLC)解决方案。

            发表于 2018-06-14 04:14 447次阅读
            介绍了解MCU电力线通信解决方案

            嵌入式专题讲座:EasyARM1138的功能与应...

            本视频内容包括:嵌入式系统概括,嵌入式系统概念,ARM 简介,Cortex-M3 简介,Lumina...

            发表于 2018-06-13 08:32 380次阅读
            嵌入式专题讲座:EasyARM1138的功能与应...

            教程:只需六步,将Hal库移植到标准库

            到MCU开发的时候下载了生成的代码发现是HAL库的,无奈自己刚刚学习stm32,用的是标准库这里参考...

            发表于 2018-06-12 10:10 1178次阅读
            教程:只需六步,将Hal库移植到标准库

            电机控制和TI的低成本电机控制MCU的价值

            Advanced digital motor control was only an option ...

            发表于 2018-06-12 07:24 579次阅读
            电机控制和TI的低成本电机控制MCU的价值

            德州仪器基于CC2640R2F的MCU 支持阿里...

            TI基于CC2640R2F的SDK提供一套例程来支持阿里云Link物联网平台。在这套方案里面,你可以...

            发表于 2018-06-11 16:19 2269次阅读
            德州仪器基于CC2640R2F的MCU 支持阿里...

            介绍MCU电能计量的特点与应用

            本讲座由瑞萨电子公司李天太讲述:MCU电能计量解决方案。

            发表于 2018-06-11 05:14 300次阅读
            介绍MCU电能计量的特点与应用