一种用于勘探仪器的数控低噪音可调电源设计
2022-08-11焦新程王云琦邓凯伦寇军超
雷 宇，焦新程，郭 浩，王云琦，邓凯伦，寇军超
(中国石油集团东方地球物理公司西安物探装备分公司 陕西 西安 710077)
0 引 言
目前勘探仪器使用的电源多为开关电源，具有体积小、重量轻、转换效率高、自身抗干扰性强、电压范围宽等优点。但开关电源由于其开关管工作于高频状态，输出的纹波和噪声较大，会影响勘探仪器系统的整体信噪比及采集数据的质量。产生电源纹波和噪音的因素有很多，即使使用电池供电也会因负载的波动而产生，在工程上一般并不刻意去把它们分开，需要对纹波和噪声的合成干扰采取有效控制措施[1]。为此本文提出了一种低纹波、低噪音输出的电源设计，输出电流可以达到3 A，输出电压可以在1.5～9.7 V之间进行调节。
1 总体设计
为了降低电源的干扰，本设计使用低压差线性稳压器(LDO)进行电压输出，保证电源输出噪音在微伏级别，满足了弱信号采集的供电需求。输入电压为12 V直流电压， LDO的输入及输出压差越大，LDO内部调节单元电路的电压损失越大，所以功耗越大，效率越低，芯片发烫，易损坏。为了降低系统的功耗及噪音，LDO的输入输出电压差值需要控制在一定的范围内。首先,通过开关电源实现输入到LDO的电压1.7～10 V可调，再通过LDO实现1.5～9.7 V输出低纹波电压，保证LDO输入输出的低压差[2]。
电压的调节通过单片机控制数字电位器实现，总体设计框图如图1所示。
图1 总体设计框图
本设计使用串口控制输出电压。电脑串口输出电压为12 V，而单片机接收的串口信号电压为3.3 V，需要使用单电源电平转换芯片max232进行电平转换。串口控制输出电压设计框图如图2所示。
图2 串口控制输出电压设计框图
2 电路设计
本方法中采用微控制器MSP430F149作为控制单元(MCU)，该芯片配置有2个内置16位定时器、1个快速12位模数(A/D)转换器、1个比较器、4个通用串行通信接口(USCI)模块和高达48个输入/输出(I/O)引脚。通过它完成数字电位器驱动，实现电压调节，接收上位机串口命令[3]。
2.1 开关电源输出可调电压
本设计采用12 V直流电压作为输入，开关电源采用LT8609实现。LT8609是一款紧凑型高效率、高速同步单芯片降压型开关稳压器，非开关瞬态电流功耗仅为1.7 μA。LT8609可以提供3 A连续电流。突发工作模式可在极低输出电流下保持高效率，同时使输出纹波峰峰值保持在10 mV以下。SYNC引脚支持同步至外部时钟，在200 kHz～2.2 MHz间实现可调及可同步频率[4]。LT8609配置电路图如图3所示。
输出电压Vout由电阻R1及R3决定，计算公式为：
(1)
式(1)中：R1电阻值为117 kΩ，R3电阻值为100 kΩ。
图3 LT8609配置电路图
通过计算该电路的输出电压约为1.7 V，使用LTspice软件进行仿真。仿真结果如图4所示。
图4 LT8609 1.7 V电压输出仿真图
为了实现输出电压可调，保持R1电阻值不变，将R3替换为数字电位器AD5160BRJZ100，该电位器是一款适合256位调整应用的2.9 mm×3 mm紧凑型封装解决方案，可实现与机械电位计或可变电阻器相同的电子调整功能，而且具有390 Ω分辨率、固态可靠性和出色的低温度系数性能，可以实现60～99.67 kΩ电阻调节。可调电源电路图如图5所示。
图5 可调电源电路图
通过式(1)计算，当调节数字电位器电阻值为9.9 kΩ的时候，输出电压为10 V，使用LTspice进行仿真。仿真结果如图6所示。
图6 LT8609 10 V电压输出仿真图
经过仿真验证，使用数字电位器AD5160BRJZ100可以实现LT8609输出电压在1.7～10 V范围内进行调节，满足使用需求。
2.2 数字电位器驱动
AD5160BRJZ100游标设置可通过兼容型数字接口(SPI)控制, 该器件采用2.7～5.5 V电源供电，使用微控制器MSP430F249进行驱动[5]。
AD5160硬件连接电路图如图7所示。
图7 AD5160硬件连接电路图
微控制器I/O口驱动AD5160实现电位器的调节，P11模拟时钟(CLK)，P10作为数据输出，在时钟的上升沿将数据从高位到低位送入数字串行接口(SDI)，举例P11串行输出数据128，调节电位器电阻值为50.06 kΩ。
软件程序如下：
#define CLK_H P1OUT|=BIT1
#define CLK_L P1OUT&=～BIT1
#define SDI_L P1OUT&=～BIT0
#define SDI_H P1OUT|=BIT0
P1SEL=0X00; //定义P1为通用I/O口
P1DIR=0X03;//定义P1口输入输出方向
char data=0x80；
for(int i=0;i<8;i++)
{
CLK_L；
If(data&0x80)SDI_H;
else SDI_L;
CLK_H；
data=data<<1;
} //SDI写入数据128
若要修改SDI写入数据，只需要更改data值，其他部分软件保持不变。
2.3 低纹波可调电压输出
低电源纹波输出采用LDO芯片LT3033实现，该器件是一款超低压差线性稳压器，可由低至 0.95 V的单输入电源供电运行。该器件提供3 A输出电流，典型电压差为95 mV。实现可调电压输出1.5～9.7 V，输出电压噪音有效值≤60 μV,适用于微弱信号检测电路的电源部分[6]。本设计实现1.5～9.7 V的输出可调电压，LT3033低纹波电源输出电路图如图8所示。
图8 LT3033低纹波电源输出电路图
LT3033输出电压是通过R2以及R3进行调节的，计算公式为：
(2)
式(2)中：输入电压为200 mV,R2电阻值为25.5 kΩ，R3电阻值为3.92 kΩ，IADJ电流值为5 nA。
在温度为25 ℃时，若输入电压为1.7 V，通过公式计算得出输出电压为1.5 V，使用LTspice进行仿真，结果如图9所示。若要实现输出电压可调，保持R3电阻值不变，调整R2，实现输出电压变化，若要达到9.7 V的输出，则R2为182.6 kΩ ，输入电压为10 V，使用LTspice进行仿真，结果如图10所示。
图9 LT3033 1.5 V电压输出仿真图
图10 LT3033 9.7V电压输出仿真图
因此为了实现输出电压在1.5～9.7 V可调，R2的范围应在25.5～186.2 kΩ之间进行调节，由于数字电位器AD5160BRJZ100的电阻调节范围为60～99.67 kΩ，将R2替换为2个AD5160BRJZ100芯片串联可以实现120～199.34 kΩ电阻调节，实现输出电压在1.5～9.7 V调节。1.5～9.7 V可调电压输出电路图如图11所示。
将两片AD5160BRJZ100控制端CLK及SDI管脚并联，使用单片机同时驱动两个数字定位器实现120～199.34 kΩ电阻调节。
图11 LT3033 1.5～9.7 V可调电压输出电路图
3 软件控制
通过串口对输出电压进行调节，由于单片机串口信号是3.3 V，首先使用max232将上位机串口信号进行电平转换，转换后的信号送入单片机进行处理[7]。
串口初始化程序如下：
char RxBuf=0;//定义接收数据
void main(void)
{
WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;
BCSCTL1 &=～XT2OFF;
do
{
IFG1 &=～OFIFG;
for (int i = 0xff; i > 0; i--);
}
while ((IFG1 & OFIFG));
BCSCTL2 |= (SELM_2+DIVM_0+SELS+DIVS_0);
P3DIR = 0x10; //定义串口的输入输出方向
P3SEL = 0x30; //选择P34、P35为第二功能
ME1|=UTXE0+URXE0; //使能TXD/RXD
UTCTL0 |= SSEL0;时钟源选择ACLK
UBR00=0x03;//设置波特率9600
UBR10=0x00;
UMCTL0=0X4A; //波特率调整
UCTL0 |= CHAR;//8位数据位
UCTL0 &=～SWRST;// 初始化UART0状态机
IE1 |= URXIE0; //中断使能
}
#pragma vector=UART0RX_VECTOR
__interrupt void usart0_rx(void)
{
RxBuf= RXBUF0;//读取缓冲寄存器数据
}
若要修改输出电压值，只需修改上位机串口指令，送入MCU。
4 结 果
修改硬件电路电阻值，利用软件进行仿真，输出电压统计见表1。
表1 仿真结果统计表
从结果可以看出，仿真值与式(2)计算值相同。
5 结束语
本文介绍的这种用于勘探仪器的数控低噪音可调电源设计利用低压差线性稳压器(LDO)进行电压输出，能够保证电源输出噪音在微伏级别，满足了弱信号采集的供电需求。但要注意两点：一是在使用过程中需要注意LT3033最大输入电压为10 V，因此要保证LT8609输出电压不高于10 V，即可调电位器最小电阻值应大于等于9.9 kΩ；二是需要注意AD5160BRJZ100最大输入电流为0.48 mA，应在输入前端串联限流电阻以保护器件不受到损坏。
