電源管理：基于AVR單片機(jī)的多功能電源設(shè)計(jì)

引 言

隨著嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，在設(shè)計(jì)和仿真中，系統(tǒng)工程師對(duì)電源的要求也越來(lái)越高。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)是使用8031單片機(jī)和74系列集成電路時(shí)，所有使用74系列集成電路的電路板都使用單一的5 V電源供電就可以了。當(dāng)時(shí)的供電電源部分不是一個(gè)需要太多注意的單元，基本上5 V的電源能滿足所有的數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)的需要。而近幾年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展，集成電路里的三極管變得越來(lái)越小并且工作的電壓越來(lái)越低，使得嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)從系統(tǒng)的速度，轉(zhuǎn)到低功耗設(shè)計(jì)上。因此在同一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中，存在多種不同電壓的電源供電，從低于1 V到高于5 V都存在。而且在系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性測(cè)試時(shí)，還要模擬不同的電源故障情況下，比如掉電等，嵌入式系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，這也需要用不同的電源來(lái)模擬。

1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在本文中，提出了一種基于AVR ButteRFly的電源設(shè)計(jì)，能夠很好地完成嵌入式系統(tǒng)的供電和系統(tǒng)的測(cè)試要求。電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由兩種電源電壓供電，主電源電壓12 V，給目標(biāo)系統(tǒng)和Butterfly(通過(guò)一個(gè)3．3 V線性穩(wěn)壓器)提供足夠的電流，另一個(gè)電源電壓-5 V是用來(lái)給功率放大器提供負(fù)電壓的。主模塊是線性穩(wěn)壓電源，一個(gè)10 b的DAC控制該電壓，該模塊的輸出接入電流檢測(cè)模塊，然后從輸出端輸出。

如圖2所示，電源的主要部分是LM723穩(wěn)壓電源，它的參考電壓受外部干擾小，而且短路保護(hù)時(shí)，它的輸出電壓為0。LM723輸出電壓的范圍是2～37 V之間。若要LM723輸出電壓大于2 V，V-引腳可以直接接地，但是為了能夠使輸出電壓達(dá)到0 V，V-引腳應(yīng)該接至少應(yīng)為-0．4 V的負(fù)電壓，有多種方法能夠達(dá)到這種要求，一個(gè)是使用倒相器把正電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓，但是這樣會(huì)引入噪聲干擾，由LM273的技術(shù)手冊(cè)和它內(nèi)部的結(jié)構(gòu)可知，LM237的參考電壓與V-引腳的電壓直接相關(guān)，這個(gè)引腳的電壓必須穩(wěn)定，而且不能有干擾，因此在這里采用另一種方法來(lái)得到合適的電壓，如圖2所示，在電路中，VREF=1．28 V是由U2A，R19，R5和R6從LM723的參考電壓得到，它被功放U2B，R1，R2倒相，在節(jié)點(diǎn)VM256=-2．56 V，這就是完成了一個(gè)到VREF的負(fù)反饋，部分地補(bǔ)償了由于溫度對(duì)電壓的影響，使得參考電壓穩(wěn)定，這里的R19是可調(diào)電阻，可以控制VM256點(diǎn)的電壓到一個(gè)合適的值，使得LM723的輸出的基準(zhǔn)電壓可以微調(diào)。

TC1321DAC連接到LM732的IN引腳上，用來(lái)設(shè)置輸出電壓，TCl321有10位的分辨率，2．7～5．5 V輸出電壓，積分微分線性度并且輸出電壓的偏移量小于8 mV，該DAC是由Butterfly內(nèi)部的CPU通過(guò)I2C總線控制的。它的參考電壓VREF＝1．28 V。DAC的輸出電壓通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的低通濾波器(由R7和Cs構(gòu)成)，目的是使得輸出電壓平滑，去除毛刺。

由于許多電子設(shè)備不能在反相電壓下工作，于是在該電源設(shè)計(jì)中有電壓偏置糾正電路，如圖3所示，由R20，R9，R10，R18和U2D構(gòu)成電壓反饋電路，在電源剛剛啟動(dòng)時(shí)(這時(shí)的DAC的輸出是0)，這部分電路能夠消除負(fù)電壓輸出。這里是用電路來(lái)完成，沒(méi)有使用在軟件中加一個(gè)常數(shù)給DAC的方法，這是因?yàn)槠屏靠赡苁钦?，在軟件中DAC的常數(shù)就應(yīng)該是一個(gè)負(fù)值來(lái)糾正，而這種方法不起作用，因?yàn)镈AC只在無(wú)符號(hào)數(shù)下工作。

二極管D1給供電電路提供了保護(hù)使得輸出電壓不會(huì)低于－0．7 V。在電源的輸出端，有一個(gè)1μF的電容，是用來(lái)防止電路的自激振蕩，這個(gè)電容值不能太大，如果太大電源的輸出響應(yīng)會(huì)變慢，CPU控制電源的速度降低了。三極管Q1用來(lái)放大LM723的電流輸出，Q1耗散的多余功率P＝(VIN－VOUT)×IOUT。

電阻R14設(shè)置了LM723的電流門(mén)限，當(dāng)R14上的電壓達(dá)到0．65 V時(shí)，輸出電壓由微分放大器U2C鉗制，此時(shí)R14上的電壓被微分放大器放大，電壓與輸出電流的比是1 V／1 A。電壓放大到5．6 V／A以適應(yīng)Butter-fly的VIN測(cè)量電路的測(cè)量要求。電源的控制部分是Butterfly，結(jié)構(gòu)如圖3所示，它有良好的用戶界面，有五通道的控制桿和六字符的LCD許多外圍設(shè)備連接著微控制器，比如揚(yáng)聲器、數(shù)據(jù)閃存、一個(gè)NTC電熱調(diào)節(jié)器、一個(gè)光敏傳感器和一個(gè)RS 232通信端。所有的外圍接口都能用來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)的功能?，F(xiàn)在，在這個(gè)電源設(shè)計(jì)中使用到LCD、控制桿、JTAG、ADC、USI(用I2C驅(qū)動(dòng)DAC)和一電流保護(hù)指示LED。

DAC(U3)和Butterfly模塊使用HT7533-1線性降壓穩(wěn)壓電源供電，該電源不會(huì)有高電壓輸出。為了避免噪聲對(duì)電源精度的影響，電路中所有的“地”都連接到電路板上的一點(diǎn)上，并且信號(hào)“地”也連接到同一點(diǎn)上。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，基于Martin Thomas的ButteRFly演示版代碼的GCC接口設(shè)計(jì)。CPU的工作頻率設(shè)定為8 MHz，因?yàn)樵诔绦蛑幸玫礁↑c(diǎn)運(yùn)算，但在電源設(shè)計(jì)中不需要，所以省電模式都未使用。AT-mega169的ADC在每一次轉(zhuǎn)換時(shí)都會(huì)發(fā)出中斷請(qǐng)求，電流保護(hù)的優(yōu)先級(jí)高于其他進(jìn)程，ADC的取樣來(lái)自8次輸入的平均值，以消除毛刺，不至于觸發(fā)錯(cuò)誤的過(guò)流保護(hù)。ADC的一些匹配的常量值在測(cè)量電路的參數(shù)后再在軟件中設(shè)置。

4 校 準(zhǔn)

因?yàn)橐鳛闇y(cè)試用的信號(hào)源使用，所以電源在使用之前必須校準(zhǔn)。校準(zhǔn)包括兩部分，硬件校準(zhǔn)和軟件設(shè)置，在這個(gè)過(guò)程中，需要對(duì)Butterfly的程序進(jìn)行改寫(xiě)和重新編譯。

斷開(kāi)Butterfly與電源電路的連接，正確連接電源電路后，給電路上電，測(cè)量電壓VPLUS(12 V)，VMINUS(-5 V)，VCC(3．3 V)，VREF(1．28 V)和VM256(-2．56 V)，這些值應(yīng)該接近括號(hào)中的值，不必與之完全一致。然后，調(diào)節(jié)微調(diào)電阻R19調(diào)整電壓VREF到1．28 V。調(diào)整后，斷電連接Butterfly和電路中的其他部分，然后上電。

因?yàn)橐c硬件一起進(jìn)行設(shè)置，所以在軟件中的相關(guān)文件中設(shè)置一個(gè)初始值，以便于后面的校準(zhǔn)，在文件DAC．h中：

編譯代碼并寫(xiě)入Butteterfly后，輸出的電壓通過(guò)菜單設(shè)置為零，通過(guò)調(diào)節(jié)微調(diào)電阻R20輸出電壓調(diào)節(jié)為零。校零完成。

為了計(jì)算V2CODECONST(VOUT=1 V)時(shí)的值，在Butterfly的菜單上輸入一個(gè)VSET電壓，如4 V，然后測(cè)量VOUT并且計(jì)算出實(shí)際的常量：

輸出電路置為開(kāi)路(此時(shí)的電流輸出應(yīng)為0)，此時(shí)電源的顯示值記為I0DISP，使用如下公式：

計(jì)算CURCODEOFFSET。

下一步，按照新的常量值給Butterfly重新編程，為了計(jì)算CODE2CURCONST的值，設(shè)置一個(gè)預(yù)設(shè)電壓值VSET，比如5 V，并且連接一個(gè)已知的準(zhǔn)確電阻RLOAD大約在47 Ω左右(電流在100 mA左右)，記下此時(shí)LCD上電流的顯示值IDISP，用下面的公式計(jì)算：

然后在ADC．H中修改此常量值并且重新編譯程序，校準(zhǔn)完成。

該電源同其他高級(jí)電源一樣，具有短路保護(hù)和過(guò)載保護(hù)功能，而且在顯示器顯示電壓電流、功耗，能夠精確地模擬主電源，用來(lái)測(cè)試目標(biāo)系統(tǒng)在各種不同電源故障下的性能，比如電壓下降、電壓周期下降、電源線上的干擾等。

5 結(jié) 語(yǔ)

由于AVR Butterfly提供了豐富的外部接口，使得設(shè)計(jì)控制電路的過(guò)程非常簡(jiǎn)單，而且在這個(gè)設(shè)計(jì)中，只使用了有限的幾個(gè)接口，還有一些接口可以用來(lái)擴(kuò)展該電源的功能，例如，使用RS 232串行接口，把智能電源與PC機(jī)連接，在PC機(jī)上就能夠?qū)崟r(shí)反映電源的工作狀態(tài)。