CN106896854A - 一种高精度在线动态连续可调输出电源 - Google Patents

一种高精度在线动态连续可调输出电源 Download PDF

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刘晓源
杨帆
曹云侠
罗勇
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/461—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using an operational amplifier as final control device

Abstract

本发明涉及一种高精度在线动态连续可调输出电源。包括：微处理器，连接模拟采集芯片和数字电位计，用于接收来自模拟采集芯片采集到的电压值，解算出电源芯片的当前电压设置管脚电阻值，通过自身SPI接口配置数字电位计；数字电位计，输出端连接运算放大器和电源芯片，用于在微处理器的配置下，改变电源芯片的电压调整管脚的电阻值；运算放大器，输出端连接模拟采集芯片，用于采集电源芯片的电压设置管脚电阻值所对应的电压值，实现电阻设置的实时监测；模拟采集芯片，用于实时采集数字电位计的输出电阻转换出的电压值，并通过SPI接口将采集到的电压值实时传递至微处理器芯片，实现全闭环控制；电源芯片，通过调整电压设置管脚的电阻值，使其输出端输出所需输出电源。

Description

一种高精度在线动态连续可调输出电源
技术领域
本发明涉及可调输出电源领域，具体的说是一种高精度在线动态连续可调输出电源。
背景技术
常规的电源芯片以及电源模块都为固定输出，或者通过外接电阻一次性可调输出。但是在某些环境下，常常需要输出电源在线可变。
常规电源芯片的输出为开环模式，若遇到后端电子负载变化的情况下，有可能达不到预期的高精度电源输出效果。
当前很多电子学板卡，都需要不同的电压输出；按照传统方法需要设计不同的电源芯片，并且配置不同的外围芯片，这样需要较长的设计选型时间，以及采购、焊接时间，不利于提供电子学设计的可靠性。本发明使用相同的配置电路，即可实现不同的电压输出，可加快电子学方案设计，减少元器件采购时间，并且有利于成本、质量的合理控制。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种高精度在线动态连续可调输出电源。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种高精度在线动态连续可调输出电源，
微处理器，连接模拟采集芯片和数字电位计，用于接收来自模拟采集芯片采集到的电压值，解算出电源芯片的当前电压设置管脚电阻值，通过自身SPI接口配置数字电位计；
数字电位计，输出端连接运算放大器和电源芯片，用于在微处理器的配置下，改变电源芯片的电压调整管脚的电阻值；
运算放大器，输出端连接模拟采集芯片和电源芯片，用于采集电源芯片的电压设置管脚电阻值所对应的电压值，实现电阻设置的实时监测；
模拟采集芯片，用于实时采集数字电位计的输出电阻转换出的电压值，并通过SPI接口将采集到的电压值实时传递至微处理器芯片，实现全闭环控制；
电源芯片，通过调整电压设置管脚的电阻值，使其输出端输出所需输出电源。
所述微处理器采用意法公司STM32F103系列芯片产品。
所述模拟采集芯片采用ADI公司具有4路模拟采集通道的AD7192模数转换芯片。
所述数字电位计为非易失性数字电位计，采用ADI公司AD5235B。
所述电源芯片采用支持LINEAR公司的4.5V至36V输入范围以及1.2V至18V输出范围的LTM8029。
还包括晶振单元，连接微处理器，用于为微处理器提供系统时钟。
所述晶振单元采用EPSON公司8MHz晶体振荡器。
所述运算放大器采用TI公司的高精度、低噪声运算放大器OPA2277。
所述电源芯片通过调整电压设置管脚的电阻值，具体为：
查询依据电源芯片的电压输出与配置电路关系表，找出电源芯片拟输出电压值所对应的电阻值；
微处理器根据公式(1)，得到电源芯片所需电阻值的输出，并通过SPI接口配置数字电位计；
其中，RWB为最终输出电阻值；D为百分比值；RAB为整体电阻值；RW为芯片常态电阻值；
电源芯片的电源调整引脚的电压，经过运算放大器后接入模拟采集芯片，依据公式(2)计算出模拟采集芯片当前输入的电压值；
其中，AIN为模拟采集芯片的模拟量采集电压值；Code为模拟采集芯片模数转换后的数据值；VREF为模拟采集芯片的参考电压值；Gain为模拟采集芯片的内部可设的增益值；N为模拟采集芯片的数据采集分辨率；
将运算放大器的比例系数折算，使电源调整引脚的电压在电源芯片手册允许范围内，即得出当前电源调整引脚的电压值；
将电源芯片输出电压值引入运算放大器，依据公式(2)计算出当前模拟采集芯片输入的电压值，将运算放大器的比例系数折算后即可计算出当前电源芯片的输出电压值。
本发明具有以下优点及有益效果：
1.本发明使用相同的配置电路，即可实现不同的电压输出，可加快电子学方案设计，减少元器件采购时间，并且有利于成本、质量的合理控制。
2.电源输出可在线、动态、连续调整，并且可以实时控制电源输出精度；
3.可以加快设计选型进程，提高原始方法使用多种不同电源芯片造成的采购、焊接质量以及可靠性问题。
附图说明
图1为本发明的整体结构框图；
图2为本发明的电路原理图；
图3为数字电位计AD5235的内部结构图；
图4为数字电位计AD5235的电阻输出框图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明包括微处理器、模拟采集芯片、数字电位计、运算放大器、电源芯片等。
如图2所示，本发明实施例包括：电源芯片U1、微处理器U2、数字电位计U3、模数转换芯片U4、运算放大器U5、晶体振荡器Y1、电容C1、C2、C3、C4、C5、C6。
微处理器U2芯片采用意法公司STM32F103系列产品；模数转换芯片U4采用ADI公司AD7192模数转换芯片，其具有4路模拟采集通道，24bit采样精度，4.8ksps采样率；数字电位计U3采用ADI公司AD5235B，其为非易失性数字电位计，可一次配置不论是否掉电永久保存配置信息，其具有1024步可调范围；电源芯片U1采用LINEAR公司LTM8029，其支持4.5V至36V输入范围以及1.2V至18V输出范围，并可实现600mA的电流输出能力；系统时钟为晶体振荡器Y1，采用EPSON公司8MHz晶体振荡器。运算放大器U5采用TI公司，高精度、低噪声运算放大器OPA2277，其偏移电压10uV、静态电流800uA、开环增益130dB。
微处理器U2通过自身SPI接口配置数字电位计U3，使电源芯片U1的RT、FB引脚接地电阻在芯片手册约定的合理范围内；依据电源芯片LTM8029芯片手册，配置电压输出所需要的电阻值。使用运算放大器OPA2277，调整RT、FB引脚的电压范围，使其满足模数转换芯片AD7192模拟量输入阈值。模数转换芯片AD7192实时采集经过调理后的LTM8029芯片RT、FB引脚电压，此电压值即对应电源芯片LTM8029的RT、FB引脚的对地电阻；模数转换芯片AD7192通过SPI接口，将采集到的电压值实时传递至微处理器U2。
微处理器解算当前电阻值的具体步骤为：
(1)首先依据表1查询出电源芯片U1拟输出电压值所对应的电阻值；
表1 LTM8029电压输出与配置电路关系
(2)如图3所示，使用微处理器SMT32F103芯片依据公式(1)通过SPI接口配置数字电位计，实现电源芯片所需电阻值的输出；
其中，RWB为最终输出电阻值；D为百分比值；RAB为整体电阻值；RW为芯片常态电阻值。
(3)电源调整引脚的电压，经过运算放大器后接入AD7192芯片，依据公式(2)计算出当前AD7192输入的电压值；
其中，AIN为模拟量采集芯片AD7192的模拟量采集电压值；Code为模拟量采集芯片AD7192模数转换后的数据值；VREF为模拟量采集芯片AD7192的参考电压值；Gain为模拟量采集芯片AD7192的内部可设的增益值；N为模拟量采集芯片AD7192的数据采集分辨率。
(4)将运算放大器的比例系数折算后，即可得出当前电源调整引脚的电压值，此路监测主要实现，电源调整引脚电压在电源芯片手册允许范围内；
(5)如图4所示，将电源输出电压值引入运算放大器电路AD7192芯片，依据公式(2)计算出当前AD7192输入的电压值，将运算放大器的比例系数折算后即可计算出当前电源输出电压值，在于原定目标电压值进行闭环控制后，通过调节数字电位计的电阻值，即可实现高精度在线动态连续可调输出电源。

Claims (9)

1.一种高精度在线动态连续可调输出电源，其特征在于，包括：
微处理器，连接模拟采集芯片和数字电位计，用于接收来自模拟采集芯片采集到的电压值，解算出电源芯片的当前电压设置管脚电阻值，通过自身SPI接口配置数字电位计；
数字电位计，输出端连接运算放大器和电源芯片，用于在微处理器的配置下，改变电源芯片的电压调整管脚的电阻值；
运算放大器，输出端连接模拟采集芯片和电源芯片，用于采集电源芯片的电压设置管脚电阻值所对应的电压值，实现电阻设置的实时监测；
模拟采集芯片，用于实时采集数字电位计的输出电阻转换出的电压值，并通过SPI接口将采集到的电压值实时传递至微处理器芯片，实现全闭环控制；
电源芯片，通过调整电压设置管脚的电阻值，使其输出端输出所需输出电源。
2.根据权利要求1所述的一种高精度在线动态连续可调输出电源，其特征在于，所述微处理器采用意法公司STM32F103系列芯片产品。
3.根据权利要求1所述的一种高精度在线动态连续可调输出电源，其特征在于，所述模拟采集芯片采用ADI公司具有4路模拟采集通道的AD7192模数转换芯片。
4.根据权利要求1所述的一种高精度在线动态连续可调输出电源，其特征在于，所述数字电位计为非易失性数字电位计，采用ADI公司AD5235B。
5.根据权利要求1所述的一种高精度在线动态连续可调输出电源，其特征在于，所述电源芯片采用支持LINEAR公司的4.5V至36V输入范围以及1.2V至18V输出范围的LTM8029。
6.根据权利要求1所述的一种高精度在线动态连续可调输出电源，其特征在于，还包括晶振单元，连接微处理器，用于为微处理器提供系统时钟。
7.根据权利要求5所述的一种高精度在线动态连续可调输出电源，其特征在于，所述晶振单元采用EPSON公司8MHz晶体振荡器。
8.根据权利要求1所述的一种高精度在线动态连续可调输出电源，其特征在于，所述运算放大器采用TI公司的高精度、低噪声运算放大器OPA2277。
9.根据权利要求1所述的一种高精度在线动态连续可调输出电源，其特征在于，所述电源芯片通过调整电压设置管脚的电阻值，具体为：
查询依据电源芯片的电压输出与配置电路关系表，找出电源芯片拟输出电压值所对应的电阻值；
微处理器根据公式(1)，得到电源芯片所需电阻值的输出，并通过SPI接口配置数字电位计；
R W B ( D ) = D 1024 × R A B + R W - - - ( 1 )
其中，RWB为最终输出电阻值；D为百分比值；RAB为整体电阻值；RW为芯片常态电阻值；
电源芯片的电源调整引脚的电压，经过运算放大器后接入模拟采集芯片，依据公式(2)计算出模拟采集芯片当前输入的电压值；
A I N = C o d e × V R E F 2 N × G a i n - - - ( 2 )
其中，AIN为模拟采集芯片的模拟量采集电压值；Code为模拟采集芯片模数转换后的数据值；VREF为模拟采集芯片的参考电压值；Gain为模拟采集芯片的内部可设的增益值；N为模拟采集芯片的数据采集分辨率；
将运算放大器的比例系数折算，使电源调整引脚的电压在电源芯片手册允许范围内，即得出当前电源调整引脚的电压值；
将电源芯片输出电压值引入运算放大器，依据公式(2)计算出当前模拟采集芯片输入的电压值，将运算放大器的比例系数折算后即可计算出当前电源芯片的输出电压值。
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