原创 使用LM2677制作的3V至24V数控可调恒压源(1)

硬件工程师要学习的第一门基础课，恐怕都是电源的设计吧。不管是哪种单片机和芯片，也不管是哪种运算放大器，或者哪种功率器件，总是需要正确的供电，否则，再精妙的构想，也是无本之木，无水之源。在电源的设计中，最基础的应该是稳压器（Voltage Regulator）的应用设计了，比如最常见的LM7805，LM2596，LM1117等等。不同型号的Voltage Regulator具备不同的特性，根据应用场合，选择合适的Voltage Regulator，并为其设计外围电路，是作为一个硬件工程师的基本功。

LM2677，是TI公司生产的高效率5A开关buck稳压器，由于它内部具备的low ON-register DMOS功率开关，使得它能够驱动大电流负载。LM2677有+3.3V、+5V、+12V和AJUSTABLE四个版本，其中AJUSTABLE的输出范围是1.2V~37V，使用它可以做一个可调的恒压源。官方手册中给出的AJUSTABLE典型应用电路如下：

在上图中，R1固定为1K，选择不同的R2值，就能得到不同的输出电压。

VOUT = VREF * (R1 + R2) / R1

其中VREF = 1.21V。如果需要得到14.8V的输出，那么R2选择11.23KΩ就可以了。要制作一个手动可调的恒压源，将R2换成一个电位器即可。用户拧动电位器，使其有效阻值变化，LM2677的输出也会随之变化。

LM2677的数控方案（一）

实现了手动可调的控制之后，如果要制作一个数控可调的恒压源，那么是不是把R2换成一个数字电位器就可以呢？答案是：NO。因为绝大部分的数字电位器Potentiometers端，所加载的电压均不能超过VCC，也就是+5V或者+3.3V。如果把R2换成了数字电位器，VOUT那一端的电压就远远超过了数字电位器Potentiometers端的允许电压。

如果将数字电位器和电阻串联起来当作R2，使得在电阻的分压下，数字电位器Potentiometers端的电压不超过VCC呢？经过简单的计算就会发现，运用这种方式的话，数字电位器起到的作用实在很小，即使数字电位器满量程的变化，它引起的输出电压变化也不过是一个很小的范围。

为了应用数字电位器，LM2677的外围电路需要做一些调整。调整的目的是，使得数字电位器的满量程变化，能够对应到所需输出电压的满量程。调整过后的电路图如下：（这个电路是为1.5V～15V的输出电压设计的，如果需要更大的输出电压，修改R29和R30的值即可。）

VOUT并没有像手动控制的那样，将自身通过电阻直接反馈到FB端，而是经过了两个双路运算放大器LM358和数字电位器ISL95810构成的反馈网络。反馈网络的第一级是电压跟随器，作用是增大反馈网络的输入阻抗，否则第二级的输入就变成了VOUT * (R26//R24) / (R23 + R26//R24)，而不是VOUT * (R26) / (R23 + R26)。第二级和第三级是反向比例放大电路，数字电位器ISL95810即是第三级的反馈电阻。第四级是同相比例放大电路，它将前级的信号放大4倍后输入到FB上。

ISL95810是intersil公司生产的256taps数字电位器，有50kΩ和10kΩ两个版本可选，这里使用的是10kΩ版本。当ISL95810的有效阻值为0Ω时，平衡后的输出电压为15.28V；当ISL95810的有效阻值为10kΩ时，平衡后的输出电压为1.39V。输出电压VOUT和数字电位器Rx满足下面这个关系：

VOUT = （VREF ／ 4） * 5 ／ （1 ＋ Rx）* 10.1

假如当前状态下，ISL95810的有效电阻变小，那么第三级的输出电压就会相应的变低，第四级的输出电压也会相应的变低，反馈到FB上的电压就会低于原来稳定状态下的1.21V，此时LM2677就知道该升高自身的swith frequency的占空比，从而得到更高的输出电压，直到FB重新获得1.21V为止。

这种方案实现了数控，且调节范围很大，但是也有一些缺点：首先，电路稍微有些复杂；其次，数字电位器的成本稍高；第三，需要额外设计一个±5V的电源，给运放供电。（当然也可以使用单电源供电和+2.5V的参考电压，节省掉±5V的电源，但是运放电路会相应的更复杂一些。）

LM2677的数控方案（二）

LM2677的内部工作原理，是使用VOUT反馈到FB端的电压，与参考电压VREF比较，构成一个负反馈网络。VOUT反馈到FB的电压，可以直接使用电阻来实现（如使用电位器），也可以使用运算放大器构成的电路（如方案一），实际上，只要是能将VOUT反馈到FB端的任何方式，都可以实现调节功能，比如使用AD采集VOUT，然后使用DA反馈到FB。

这种方案，需要使用AD和DA芯片，看起来是最复杂。但是由于数控方案本身需要UART（或其他通讯协议）的功能而必须使用MCU，而目前的MCU集成了AD和DA部分，所以反而在电路实现上最为简单。（32位CORTEX-M3的ARM异军突起，使得集成AD和DA的单片MCU价格也在二十元以下，而使用8位MCU配合DA和AD芯片的成本，已经超过了前者。虽然使用前者强大的32位处理功能，来实现单一的电压调节，实在是有点浪费啊-_-~~~）

图中，VOUT经过R14和R16分压之后，输入至AD采样，结果经过运算之后，转换出相应的DA值，经过R13，反馈到FB上。使用R11连接+24V，这样即使DAC_OUT失效，输出也会保持在很低的安全电压下。D4的作用是将DAC_OUT电压钳位在+3.3V上，保护DA输出引脚。只要DAC_OUT能够以正确的比例反映ADC_IN的值，那么这个负反馈网络就构建成功。

OFF引脚具备内部上拉，如果悬空则芯片会一直工作。加上R17下拉到地，使得MCU未工作时LM2677处在关断状态。

RS232和RS485

要完成一个功能完整的数控电压源，当然不能只有LM2677，还得有MCU以及它的外围芯片。这里采用的MCU是STM32F103RCT6，它具备256K字节的程序空间和48K的RAM，自带DA和AD模块。采用MAX3485和MAX3232，实现RS485和RS232的串口通讯。(这些都属于常规的设计，这里就不多扯了~)

值得一提的是RS485总线的地址实现。RS485总线可挂接多个设备，每个设备都有自身的地址，设备通过匹配地址，来确定是否响应当前指令。设置地址，常见的方法有：一，拨码开关（或电位器）等手动方式，优点是简单直观；缺点是不宜扩展，且有相当的硬件成本。二，存储在EEPROM中，优点是容易扩展，可由开发者将地址固化在EEPROM中，也可由用户通过指令设置，可存储更多详尽具体的信息；缺点是若仅仅为了存储撑死了不到8字节的地址信息，不值得专门放置一片EEPROM。三，直接写入程序FLASH空间，优点是节省硬件成本，缺点是每一个MCU都必须烧进不同的程序。四，使用MCU（或其他芯片）厂家固化的产品序列号，优点是节约硬件成本，缺点是序列号一般比较长，而只选取其中部分字节有可能造成地址重合。

由于STM32F103RCT6没有内部的EEPROM，也不需要用户频繁的更改地址，加上对实时性的要求不高，所以采用了第四种方法。以STM32的序列号低十六位作为地址，对负载量不高的RS485总线来说，地址重合的可能性较低。万一重合，还可发送完整的序列号。识别完整还是部分序列号，在指令中很好设计。这样就既减少了地址的长度，又解决了地址重合的问题。