基于數(shù)字電位器的可編程穩(wěn)壓器設(shè)計 - 全文

　　可編程穩(wěn)壓器它是一種能自動調(diào)整輸出電壓的供電電路或供電設(shè)備，其作用是將波動較大和不合用電器設(shè)備要求的電源電壓穩(wěn)定在它的設(shè)定值范圍內(nèi)，使各種電路或電器設(shè)備能在額定工作電壓下正常工作。最初的電力穩(wěn)壓器是靠繼電器的跳動穩(wěn)定電壓的。當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動時，電力穩(wěn)壓器的自動糾正電路啟動，使內(nèi)部繼電器動作。迫使輸出電壓保持在設(shè)定值附近，這種電路優(yōu)點是電路簡單，缺點是穩(wěn)壓精度不高并且每一次繼電器跳動換擋，都會使供電電源發(fā)生一次瞬時的中斷并產(chǎn)生火花干擾。便。數(shù)字電位器(Digital Polentiometer)亦稱數(shù)控電阻器(Digitally con-trolled Potentiometers)，可簡稱為DCP。利用數(shù)字電位器代替可凋電阻，可構(gòu)成由計算機控制的可編程穩(wěn)壓器。

　　l 可編程線性穩(wěn)壓器的設(shè)計

　　1.1 三端可調(diào)式線性穩(wěn)壓器的基本應(yīng)用

　　三端可調(diào)式線性穩(wěn)壓器屬于第二代二端線性穩(wěn)壓器。適合制作實驗室電源及多種供電方式的直流穩(wěn)壓器。典型產(chǎn)品有LM317，其主要技術(shù)指標(biāo)為U1=2～40V，Uo=1.25～37 V，IOM=1.5A。其電壓調(diào)整率SV=0.02％，負(fù)載調(diào)整率S1=O.1％。

　　LM317的基本應(yīng)用電路如圖1所示。R1、R2為取樣電阻。LM317的最小負(fù)載電流，IL=5 mA，若要留出余量，亦可取IL=10mA。R1的阻值有兩種取法：

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　　LM317作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，是一種使用方便、應(yīng)用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。317系列穩(wěn)壓塊的型號很多：例如LM317HVH、W317L等。電子愛好者經(jīng)常用317穩(wěn)壓塊制作輸出電壓可變的穩(wěn)壓電源。

　　穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計算，Vo＝1.25（1＋R2/R1）。僅僅從公式本身看，R1、R2的電阻值可以隨意設(shè)定。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計算公式，R1和R2的阻值是不能隨意設(shè)定的。

　　首先317穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是Vo＝1.25V—37V（高輸出電壓的317穩(wěn)壓塊如LM317HVA、LM317HVK等，其輸出電壓變化范圍是Vo＝1.25V—45V），所以R2/R1的比值范圍只能是0—28.6。

　　其次是317穩(wěn)壓塊都有一個最小穩(wěn)定工作電流，有的資料稱為最小輸出電流，也有的資料稱為最小泄放電流。最小穩(wěn)定工作電流的值一般為1.5mA。由于317穩(wěn)壓塊的生產(chǎn)廠家不同、型號不同，其最小穩(wěn)定工作電流也不相同，但一般不大于5mA。當(dāng)317穩(wěn)壓塊的輸出電流小于其最小穩(wěn)定工作電流時，317穩(wěn)壓塊就不能正常工作。當(dāng)317穩(wěn)壓塊的輸出電流大于其最小穩(wěn)定工作電流時，317穩(wěn)壓塊就可以輸出穩(wěn)定的直流電壓。如果用317穩(wěn)壓塊制作穩(wěn)壓電源時（如圖所示），沒有注意317穩(wěn)壓塊的最小穩(wěn)定工作電流，那么你制作的穩(wěn)壓電源可能會出現(xiàn)下述不正?，F(xiàn)象：穩(wěn)壓電源輸出的有載電壓和空載電壓差別較大。

　　(1)當(dāng)IL=5mA時，R1=1.25V/5mA≈240Ω，此時R2可選6.8kΩ的可調(diào)電阻；

　　(2)當(dāng)IL=10mA時，R1=1.25V/10mA≈120Ω。

　　R2可選3.4kΩ可調(diào)電阻。

　　調(diào)整R2時均可獲得1.25～37V的穩(wěn)壓輸出。C2可濾除R2兩端的紋波，使之不能經(jīng)放大后從Uo端輸出。D2為保護(hù)二極管，一旦U1發(fā)生短路故障，由D2給C2提供泄放回路，避免C2經(jīng)過LM317內(nèi)部放電而損壞芯片。當(dāng)穩(wěn)壓器的輸出端接大容量負(fù)載電容CL時，D1可起到保護(hù)作用，一旦穩(wěn)壓器的輸入端發(fā)生短路，CL上積存的電荷便經(jīng)過D1對地放電。輸出電壓的計算公式為

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　　顯然，當(dāng)R2=0時，Uo=1.25V；當(dāng)R2/R1=28.6時，Uo=37V。該電路的缺點是輸出電壓值必須靠手動調(diào)整，不僅調(diào)整精度低，而且使用不夠方便。

　　1.2 由數(shù)字電位器和LM317構(gòu)成的可編程線性穩(wěn)壓器

　　1.2.1 電路設(shè)計方案

　　由數(shù)字電位器和TM317聯(lián)合構(gòu)成可編程線性穩(wěn)壓器時有3種電路設(shè)計方案。第一種方案是用數(shù)字電位器(DCP)來代替圖1中的R2，電路如圖2(a)所示。此時DCP就作為LM317的調(diào)整電阻，DCP工作在可調(diào)電阻器模式。設(shè)調(diào)整后的電阻值為RDCP，單片機通過改變RDCF值，即可設(shè)定穩(wěn)壓器的輸出電壓。第二種方案是用RDCP同時代替R1、R2，這樣可節(jié)省一只電阻元件，其簡化電路如圖2(b)所示，其他部分與圖2(a)相同。第三種方案是將數(shù)字電位器串聯(lián)在R1、R2中間，簡化電路如圖 2(c)所示，該電路適合在小范圍內(nèi)對輸出電壓進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。

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　　1.2.2 設(shè)計要點及使用注意事項

　　(1)穩(wěn)壓器的電壓調(diào)節(jié)范圍 在用數(shù)字電位器代替可變電阻時，線性穩(wěn)壓器的調(diào)節(jié)范圍會變窄。普通數(shù)字電位器的電源電壓范圍一般為2.5～5.5 V(或3～6V)，典型值為5 V，因此RDCP上的壓降不得超過5 V，此時Uo的調(diào)整范圍就被限制在l.25～6.25V。如果RDCP上的壓降超過5V，就必須采用高壓數(shù)字電位器，當(dāng)輸入電捱U1=+25V、R1=240Ω、RDCP=0～398kΩ時，輸出電壓Uo可在+1.25～22v范圍內(nèi)變化。

　　(2)穩(wěn)壓器的空載穩(wěn)壓特性 由數(shù)字電位器構(gòu)成可編程線性穩(wěn)壓器時，應(yīng)考慮LM317的空載穩(wěn)壓特性。為使LM317達(dá)到最佳穩(wěn)壓性能，空載時的最小負(fù)載電流至少應(yīng)等于5 mA。因此，應(yīng)選擇最大工作電流為5 mA的數(shù)字電位器，例如X9313WP型32抽頭數(shù)字電位器。穩(wěn)壓器由調(diào)壓電路、控制電路、及伺服電機等組成，當(dāng)輸入電壓或負(fù)載變化時，控制電路進(jìn)行取樣、比較、放大，然后驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動，使調(diào)壓器碳刷的位置改變，通過自動調(diào)整線圈匝數(shù)比，從而保持輸出電壓的穩(wěn)定。容量較大的穩(wěn)壓器，還采用電壓補償?shù)脑砉ぷ?。普通?shù)字電位器的最大工作電流一般儀為1 mA，無法承受5 mA的工作電流。這就要求必須按比例增加RDCP的電阻值，但這會使穩(wěn)壓性能降低。其理由如下：LM317的靜態(tài)電流IADJ=50μA，在正常情況下取IL=5mA時，IADJ在RDCP上形成的壓降URDCP=IADJRDCP。將RDCP調(diào)整到1.008 kΩ時，U。=6.5V，此時URDCP=O.05V，該電壓與IL在RDCP上形成的壓降相疊加，最終僅會使Uo升高0.05V。而當(dāng)IL’=IL/5=lmA時，必須將R1和RDCP的電阻值擴大到原來的5倍，變成R1’=5R1，RDCP’=5RDCP；將RDCP’調(diào)整到5.04kΩ時，Uo=6.5V，此時IADJ在RDCP’上形成的壓降也擴大到5倍，會使Uo升高O.25V。綜上所述，Uo隨RDCP的電阻值而變化是造成穩(wěn)壓性能降低的主要原因。

　　為使普通數(shù)字電位器也能滿足空載穩(wěn)壓特性的要求，有以下3種解決方法。

　　(1)將幾只電阻值相同的數(shù)字電位器進(jìn)行并聯(lián)，并聯(lián)后的總電阻值必須符合調(diào)整要求。此方法的缺點是需要使用多個數(shù)字電位器，會造成資源浪費。

　　(2)在LM317的輸出端接一只假負(fù)載RL。這種方法的缺點是RL與R1、RDCP并聯(lián)之后不僅會降低電源效率，還改變了調(diào)整RDCP的線性度。

　　(3)更好的方法是采用基準(zhǔn)電壓源，經(jīng)過數(shù)字電位器分壓后直接給LM317的ADJ端提供一個基準(zhǔn)電壓UBEF?；鶞?zhǔn)電壓源具有電壓穩(wěn)定度高，不受環(huán)境溫度變化的影響，獲得高準(zhǔn)確度的電壓值、使用靈活、方便等優(yōu)點。由LM336-5.0型5V基準(zhǔn)電壓源、10kΩ數(shù)字電位器和緩沖器構(gòu)成的可編程線性穩(wěn)壓器電路如圖3所示。

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　　設(shè)計可編程精密穩(wěn)壓器時，還應(yīng)考慮數(shù)字電位器滑動端電阻、阻值偏差、電阻溫度系數(shù)等因素的影響，上述誤差均可通過軟件進(jìn)行修正。

　　2 可編程精密低壓差穩(wěn)壓器的設(shè)計

　　在工業(yè)控制領(lǐng)域，有時需要提供一個能在小范圍內(nèi)作精密調(diào)整的高效率、低壓輸出的數(shù)控線性穩(wěn)壓電源。利用低壓差穩(wěn)壓器(Low Dropout Regulator，LD0)，能大大提高電源轉(zhuǎn)換效率，節(jié)省電能。由DS1809和低壓差穩(wěn)壓器LP2950-5.O構(gòu)成可編程精密低壓差穩(wěn)壓器的電路如圖4所示。DSl809屬于按鍵式64抽頭非易失性數(shù)字電位器。LP2950-5.O具有低靜態(tài)電流、低壓差等特性，在輕載時的壓差僅為50mV，輸出100mA電流時的壓差也只有380mV。

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　　該可編程精密低樂差穩(wěn)壓器的輸入端接6 V電池。輸出電壓Uo=+5～5.5V，調(diào)節(jié)范圍是O.5V。O.5 V被DSl809分為64份，步進(jìn)量為7.8 mV。DSl809的總電阻值有10kΩ、50 kΩ和100kΩ三種規(guī)格，可供選擇。R1、R2為分壓電阻，它們與DSl809的輸出電阻RDCP一同構(gòu)成分壓器。分壓器的輸出端接LP2950-5.0的反饋端(FB)，通過按鍵設(shè)定RDCP的電阻值，即可在規(guī)定范圍內(nèi)精確地調(diào)節(jié)Uo值。C1為輸入端的退耦電容。C2用來濾除Uo中的交流噪聲并改善瞬態(tài)響應(yīng)。當(dāng)輸出端接負(fù)載時，C3為輸出端濾波電容。DS1809的滑動端(RW)與高端(RH)互相短接，作可調(diào)電阻器使用。S1、S2為手動按鍵，每按下一次S1時，DS1809的輸出電阻值就遞增R/64，使Uo減小7.8mV。S2的作用與之相反。

　　輸出電壓的表達(dá)式為

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　　式中：UREF為反饋端內(nèi)部電壓比較器的1.235 V基準(zhǔn)電壓。

　　輸出電壓的最大值Uo(max)和最小值Uo(min)取決于R1、R2和R。只要給定Uo(max)、Uo(min)值，利用式(4)即可求出所需要的R1、R2值。

　　舉例說明：當(dāng)DS1809的總電阻值R=lO kΩ，滑動端移到低端位置(RL)位置時，RDCP=0，Uo=Uo(max)=+5.5 V；當(dāng)滑動端移到高端位置(RH)時，即RDCP=R=10kΩ時，Uo=Uo(min)=+5.OV。分別代入式(2)中，得到

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　　從式(3)和式(4)組成的聯(lián)立方程中可解出，R1=233.90kΩ，R2=66.75 kΩ。實際可選R1=220kΩ、R2=68kΩ的標(biāo)稱電阻，電阻功率均為0.125 W。

　　利用上述方法，還可獲得更寬的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍，例如，可設(shè)Uo=+4.5~5.5V，調(diào)節(jié)范圍為1 V，步進(jìn)量為15.6mV，計算結(jié)果為R1=101.1 kΩ，R2=283 kΩ?？扇?biāo)稱值Rl=100 kΩ，R2=27 kΩ。若DS1809的總阻值R=50 kΩ，要求Uo=+3.0～5.5V，調(diào)節(jié)范圍為2.5V，步進(jìn)量為39mV。不難算出，R1=119.5kΩ，R2=33.6kΩ。可取標(biāo)稱值R1=120kΩ，R2=33 kΩ。

　　上述公式均未考慮DSl809的滑動端電阻RW，其典型值為400 Ω。必要時可將RDCP值與RW相加，再對計算結(jié)果進(jìn)行修正。操作時即使不慎將S1或S2按下，Uo只能改變很小的數(shù)值，也不會超出規(guī)定范圍。

　　3 可編程開關(guān)式穩(wěn)壓器的設(shè)計

　　LM2576系列產(chǎn)品是美國摩托羅拉(Motorola)公司、國家半導(dǎo)體公司(NSC)推出的高效率大電流輸出的降壓式開關(guān)式穩(wěn)壓器。LM2576系列主要包括3.3V、5 V、12 V、15 V和可調(diào)式共5種規(guī)格。它具有關(guān)斷功能，可使穩(wěn)壓器進(jìn)入低功耗待機模式，待機電流儀為80μA。還具有完善的保護(hù)電路，包括過電流保護(hù)及過熱保護(hù)。

　　當(dāng)然在LM317穩(wěn)壓塊的輸出端并聯(lián)泄流電阻R，也可以為LM317穩(wěn)壓塊提供最小穩(wěn)定工作電流。但是，由于并聯(lián)的泄流電阻不能隨輸出電壓的變化而變化，如果要保證LM317穩(wěn)壓塊在輸出電壓為1.25V時，其輸出電流大于其最小穩(wěn)定工作電流，則在317穩(wěn)壓塊的輸出電壓為LM37V時，流過泄流電阻的電流就太大了，這樣不僅浪費了電能，而且增加了317穩(wěn)壓塊的負(fù)擔(dān)，不是一種妥當(dāng)?shù)霓k法。

　　由數(shù)字電位器和LM2576-ADJ構(gòu)成可編程開關(guān)穩(wěn)壓器的電路如圖5所示。現(xiàn)利用10kΩ數(shù)字電位器DCP來代替R2，改變RDCP值即可設(shè)定穩(wěn)壓器的輸出電壓值。例如，當(dāng)R2=RDCP=7.76 kΩ、R1=2.OkΩ時，Uo=6.00V。該電路的Uo可在+1.23～6V范圍內(nèi)變化。

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　　4 結(jié)語

　　數(shù)字電位器與機械式電位器相比，具有可程控改變阻值、耐震動、噪聲小、壽命長、抗環(huán)境污染等重要優(yōu)點，因而，已在自動檢測與控制、智能儀器儀表、消費類電子產(chǎn)品等許多重要領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。但是，數(shù)字電位器額定阻值誤差大、溫度系數(shù)大、通頻帶較窄、滑動端允許電流?。ㄒ话?～3mA）等，這在很大程度上限制了它的應(yīng)用。

　　數(shù)字電位器取消了活動件，是一個半導(dǎo)體集成電路。其優(yōu)點為：調(diào)節(jié)精度高；沒有噪聲，有極長的工作壽命；無機械磨損；數(shù)據(jù)可讀寫；具有配置寄存器及數(shù)據(jù)寄存器；多電平量存儲功能，特別適用于音頻系統(tǒng)；易于軟件控制；體積小，易于裝配。它適用于家族影院系統(tǒng)，音頻環(huán)繞控制，音響功放和有線電視設(shè)備等。

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