嵌入式系統中電源電壓的精確控制應用

圖3 供電系統的數字部分需要一個穩定的5V電源（與模擬部分共用），數字部分通過逐位控制的SPI接口與DAC、ADC通信。串行收發器（U8）從PC接收VOUT設定值，J1提供MCU的在線編程。

　　模擬電路設計
　　為計算電阻網絡中的R1、R2和R3 （見圖2），先假設流入FB引腳的電流（IFB）可以忽略（MAX1692規格表給出的最大值為50nA），設R2為49.9kΩ。FB引腳電壓為1.25V，電流I2為25mA，遠高于50nA，證明忽略IFB的決定是正確的。最后，計算R1和R2：
　　（1）
　　DAC輸出電壓（VDAC）為最大值2.5V時，降壓調節器的輸出（VOUT）應該為最小值1.25V。代入式1：
　　第一項為零，得到R3為50 kΩ。當VDAC 為最小值0V時, VOUT 應該為最大值5V。代入式1 ：
　　得到R1值為75kΩ。
　　ADC采集VOUT并將其通過SPI接口傳送給MCU，形成閉環數字控制。

　　數字電路設計
　　DAC和ADC由逐位控制的SPI總線和MCU通信。MCU是主器件，而DAC和ADC是從器件。MCU的5個引腳分別作為SCLK、MOSI、MISO、CSADC（ADC片選）、CSDAC（DAC片選）。總線上的器件共用SCLK，為達到最高通信速度，使用32MHz的晶體供給MCU系統時鐘。MCU通過PC串口接收VOUT值。MAX3311是RS-232收發器，將RS-232電平轉為TTL/COMS電平。

　　布局考慮
　　使用寬的引線連接所有無源器件（旁路電容、補償電容、輸入電容、輸出電容和電感）與降壓轉換器。這些元件和FB引腳的電阻網絡應盡可能靠近降壓轉換器，以減小PCB引線電阻和噪聲干擾。降壓轉換器處需要大面積的覆銅，以降低IC在重負載下的工作溫度。可以參考MAX1692評估板。為保持信號完整性，必須盡可能將模擬信號線和數字信號線隔離開。將DAC和ADC靠近降壓器放置，用短線連接所有模擬信號。數字信號在另一方向連接到MCU。盡可能將電壓基準靠近ADC，提供電壓基準的電壓反饋線用較短的隔離線連接到ADC的REF 和GND引腳，以保證ADC的轉換精度。

　　必須確保MCU下方沒有高速信號線。同時，32MHz時鐘晶體盡可能靠近MCU的輸入引腳。如同所有PCB布線一樣，不允許存在90°引線轉角，所有IC電源都用0.1μF陶瓷電容旁路，并且盡可能地靠近供電引腳安裝。

　　軟件
　　本系統MCU軟件通過PC串口獲取要設定的VOUT，對應由ADC采樣得到的降壓轉換器輸出電壓。由于MCU是8位總線，而ADC是12位分辨率，將字節左移4位（相當于乘以16），4位最低有效位置零。軟件用C編寫，可從Maxim網站下載。

　　測試結果
　　即便是滿負載，該系統也可以正確地將轉換器的輸出電壓控制在設定電壓的1% 誤差內。由ADC得到的反饋可以補償負載變化、失調和輸出電壓漂移，以準確控制輸出電壓。圖4a和圖4b是電源電壓在1mA負載時的性能，圖5a表示VOUT和VDAC在VOUT 由4.5V轉變到1.5V時的變化，圖5b為VOUT和VDAC在VOUT 由1.5V轉變到4.5V時的變化。從中可以看出VOUT的下降速率比上升速率慢很多。這是由于輸出大電容放電所致（見圖2的C16）。轉換器可以非常快地對電容充電，但負載沒有辦法使電容快速放電。注意電壓的變化速率非常接近，因為350mA負載可以使電容足夠快地放電。這樣,一個足夠大的負載可以使VOUT以同樣速率增加或減小。

圖4 波形顯示了負載電流為1mA時，降壓轉換器輸出電壓（VOUT）和DAC的輸出電壓（VDAC）。圖a為VOUT從4.5V到1.5V變化時的VOUT和VDAC波形；圖b為VOUT從1.5V到4.5V變化時的VOUT 和 VDAC波形

圖5. 波形顯示了負載電流為350mA時，降壓轉換器輸出電壓（VOUT）和DAC的輸出電壓（VDAC）。圖a為VOUT從4.5V到1.5V變化時的VOUT和VDAC波形；圖b為VOUT從1.5V到4.5V變化時的VOUT 和 VDAC波形