電源管理：基于AVR單片機的多功能電源設計

引 言

隨著嵌入式系統(tǒng)設計技術的發(fā)展，在設計和仿真中，系統(tǒng)工程師對電源的要求也越來越高。在嵌入式系統(tǒng)設計是使用8031單片機和74系列集成電路時，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。當時的供電電源部分不是一個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)字集成電路設計的需要。而近幾年來，隨著技術的發(fā)展，集成電路里的三極管變得越來越小并且工作的電壓越來越低，使得嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的重點從系統(tǒng)的速度，轉(zhuǎn)到低功耗設計上。因此在同一個嵌入式系統(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)定性和可靠性測試時，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模擬。

1 電源系統(tǒng)結(jié)構

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

2 硬件設計

系統(tǒng)由兩種電源電壓供電，主電源電壓12 V，給目標系統(tǒng)和Butterfly(通過一個3．3 V線性穩(wěn)壓器)提供足夠的電流，另一個電源電壓-5 V是用來給功率放大器提供負電壓的。主模塊是線性穩(wěn)壓電源，一個10 b的DAC控制該電壓，該模塊的輸出接入電流檢測模塊，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，而且短路保護時，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到0 V，V-引腳應該接至少應為-0．4 V的負電壓，有多種方法能夠達到這種要求，一個是使用倒相器把正電壓轉(zhuǎn)換為負電壓，但是這樣會引入噪聲干擾，由LM273的技術手冊和它內(nèi)部的結(jié)構可知，LM237的參考電壓與V-引腳的電壓直接相關，這個引腳的電壓必須穩(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VM256=-2．56 V，這就是完成了一個到VREF的負反饋，部分地補償了由于溫度對電壓的影響，使得參考電壓穩(wěn)定，這里的R19是可調(diào)電阻，可以控制VM256點的電壓到一個合適的值，使得LM723的輸出的基準電壓可以微調(diào)。

TC1321DAC連接到LM732的IN引腳上，用來設置輸出電壓，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I2C總線控制的。它的參考電壓VREF＝1．28 V。DAC的輸出電壓通過一個簡單的低通濾波器(由R7和Cs構成)，目的是使得輸出電壓平滑，去除毛刺。

由于許多電子設備不能在反相電壓下工作，于是在該電源設計中有電壓偏置糾正電路，如圖3所示，由R20，R9，R10，R18和U2D構成電壓反饋電路，在電源剛剛啟動時(這時的DAC的輸出是0)，這部分電路能夠消除負電壓輸出。這里是用電路來完成，沒有使用在軟件中加一個常數(shù)給DAC的方法，這是因為偏移量可能是正值，在軟件中DAC的常數(shù)就應該是一個負值來糾正，而這種方法不起作用，因為DAC只在無符號數(shù)下工作。

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

電阻R14設置了LM723的電流門限，當R14上的電壓達到0．65 V時，輸出電壓由微分放大器U2C鉗制，此時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Butter-fly的VIN測量電路的測量要求。電源的控制部分是Butterfly，結(jié)構如圖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許多外圍設備連接著微控制器，比如揚聲器、數(shù)據(jù)閃存、一個NTC電熱調(diào)節(jié)器、一個光敏傳感器和一個RS 232通信端。所有的外圍接口都能用來擴展系統(tǒng)的功能。現(xiàn)在，在這個電源設計中使用到LCD、控制桿、JTAG、ADC、USI(用I2C驅(qū)動DAC)和一電流保護指示LED。

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

3 軟件設計

軟件的結(jié)構圖如圖4所示，基于Martin Thomas的ButteRFly演示版代碼的GCC接口設計。CPU的工作頻率設定為8 MHz，因為在程序中要用到浮點運算，但在電源設計中不需要，所以省電模式都未使用。AT-mega169的ADC在每一次轉(zhuǎn)換時都會發(fā)出中斷請求，電流保護的優(yōu)先級高于其他進程，ADC的取樣來自8次輸入的平均值，以消除毛刺，不至于觸發(fā)錯誤的過流保護。ADC的一些匹配的常量值在測量電路的參數(shù)后再在軟件中設置。

4 校 準

因為要作為測試用的信號源使用，所以電源在使用之前必須校準。校準包括兩部分，硬件校準和軟件設置，在這個過程中，需要對Butterfly的程序進行改寫和重新編譯。

斷開Butterfly與電源電路的連接，正確連接電源電路后，給電路上電，測量電壓VPLUS(12 V)，VMINUS(-5 V)，VCC(3．3 V)，VREF(1．28 V)和VM256(-2．56 V)，這些值應該接近括號中的值，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。

因為要與硬件一起進行設置，所以在軟件中的相關文件中設置一個初始值，以便于后面的校準，在文件DAC．h中：

編譯代碼并寫入Butteterfly后，輸出的電壓通過菜單設置為零，通過調(diào)節(jié)微調(diào)電阻R20輸出電壓調(diào)節(jié)為零。校零完成。

為了計算V2CODECONST(VOUT=1 V)時的值，在Butterfly的菜單上輸入一個VSET電壓，如4 V，然后測量VOUT并且計算出實際的常量：

輸出電路置為開路(此時的電流輸出應為0)，此時電源的顯示值記為I0DISP，使用如下公式：

計算CURCODEOFFSET。

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

然后在ADC．H中修改此常量值并且重新編譯程序，校準完成。

該電源同其他高級電源一樣，具有短路保護和過載保護功能，而且在顯示器顯示電壓電流、功耗，能夠精確地模擬主電源，用來測試目標系統(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

由于AVR Butterfly提供了豐富的外部接口，使得設計控制電路的過程非常簡單，而且在這個設計中，只使用了有限的幾個接口，還有一些接口可以用來擴展該電源的功能，例如，使用RS 232串行接口，把智能電源與PC機連接，在PC機上就能夠?qū)崟r反映電源的工作狀態(tài)。