數(shù)字電位計(jì)可實(shí)現(xiàn)開關(guān)模式電源的快速線性調(diào)整

通過微調(diào)電源中的輸出電壓，可以消除電源路徑中的容差和壓降，驗(yàn)證系統(tǒng)限值下的運(yùn)行，或?yàn)?a target="_blank">微處理器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)電壓控制。本文探討了調(diào)整開關(guān)模式電源（SMPS）的幾種選擇，并提出了一種使用帶有數(shù)字電位計(jì)的開關(guān)穩(wěn)壓器作為反饋控制元件的解決方案，重點(diǎn)介紹了設(shè)計(jì)問題及其解決方法。最后，介紹了AD5141單通道、非易失性digiPOT，作為克服本應(yīng)用中常見限制的簡(jiǎn)單方法。

在大電流系統(tǒng)中，開關(guān)模式電源穩(wěn)壓器的效率高于線性穩(wěn)壓器，對(duì)于高于100 μA的電流，典型效率大于90%。

在低壓差（LDO）穩(wěn)壓器中，效率取決于靜態(tài)電流（Iq）和正向壓降，靜態(tài)電流越高，效率越低，如公式1所示。

當(dāng)今的LDO具有相當(dāng)?shù)偷撵o態(tài)電流，因此如果Iq與I 相比非常小，則可以忽略不計(jì)負(fù)荷.然后，LDO效率為（V外/V在） ×100。由于LDO無法存儲(chǔ)大量未使用的能量，因此未輸送到負(fù)載的功率在LDO內(nèi)以熱量的形式消散。典型的LDO效率低于83%。

憑借較低的損耗，開關(guān)穩(wěn)壓器正在取代需要高電流或動(dòng)態(tài)負(fù)載的 ATE、FPGA 和儀器儀表等應(yīng)用中的線性穩(wěn)壓器。

在極端條件下表征系統(tǒng)性能時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常需要調(diào)整電源電壓，以優(yōu)化其電平或迫使其遠(yuǎn)離標(biāo)稱值。此功能通常在在線測(cè)試（ICT）期間執(zhí)行，例如，當(dāng)制造商希望保證產(chǎn)品在標(biāo)稱電源±10%時(shí)正常工作時(shí)。

此過程稱為裕量調(diào)節(jié)，通過故意在預(yù)期范圍內(nèi)改變電源電壓來完成。此外，微調(diào)輸出電壓的能力使得補(bǔ)償電源容差和電源路徑中的壓降成為可能。

其他應(yīng)用，如微處理器的動(dòng)態(tài)電壓控制，必須能夠動(dòng)態(tài)改變電壓，在低功耗模式下降低電壓，在高性能模式下增加電壓。

SMPS的工作方式與LDO類似，如圖1所示。將輸出電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)進(jìn)行比較，差值連接到脈寬調(diào)制器。

圖1.開關(guān)電源電壓控制環(huán)路。

脈寬調(diào)制器將斜坡與放大器輸出進(jìn)行比較，并生成PWM信號(hào)，控制向負(fù)載輸送能量的開關(guān)。

可通過控制反相放大器引腳上的電壓來調(diào)節(jié)輸出電壓。

這可以在外部使用DAC或數(shù)字電位計(jì)完成。一些穩(wěn)壓器允許使用串行接口（如PMBUS、I2C 或 SPI。表1比較了這三種方法的調(diào)節(jié)能力和功耗。

一些數(shù)字電位計(jì)提供非易失性存儲(chǔ)器，因此可以在測(cè)試中對(duì)輸出電源進(jìn)行編程。與其他兩種方法相比，這種易于使用的功能提供了實(shí)質(zhì)性的好處。

線性化傳遞方程

公式2描述了基于反饋電阻R之比的SMPS輸出電壓1和 R2,

其中 V反饋是內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。

在直接替換 R 之前1和 R2對(duì)于數(shù)字電位計(jì)，應(yīng)考慮一些問題。數(shù)字電位計(jì)內(nèi)部有兩個(gè)電阻串，R嗖嗖和 R工 務(wù) 局.

兩個(gè)串電阻器是互補(bǔ)的，

其中 R血型是端到端電阻或標(biāo)稱值。

替換 R1和 R2與 R嗖嗖和 R工 務(wù) 局產(chǎn)生對(duì)數(shù)傳遞函數(shù)。數(shù)字碼和輸出電壓之間的非線性關(guān)系降低了低端分辨率。圖2所示為16抽頭數(shù)字電位計(jì)的示例。

圖2.對(duì)數(shù)傳遞函數(shù)。

這個(gè)問題可以通過多種方式克服;更常見的是在變阻器模式下使用數(shù)字電位計(jì)，或?qū)㈦娮枧c電位計(jì)串聯(lián)。

最小化公差

由于電阻容差，將數(shù)字電位計(jì)與外部電阻結(jié)合使用可能會(huì)導(dǎo)致失配問題。精密器件可能具有1%的電阻容差，但絕大多數(shù)數(shù)字電位計(jì)只能實(shí)現(xiàn)20%的電阻容差。

在這種情況下，通過使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻組合可以減少失配，如圖3和圖4所示。缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍也會(huì)減小。

圖3.變阻器和串行電阻器。

圖4.電位計(jì)模式。

在變阻器模式下，串聯(lián)電阻必須足夠高，以使數(shù)字電位計(jì)的容差可以忽略不計(jì)，即R2≥ 10 × R血型.在電位計(jì)模式下，并聯(lián)電阻必須足夠小，即

。

使用串并聯(lián)組合對(duì)電位計(jì)進(jìn)行線性化可能相當(dāng)復(fù)雜，如圖5的等效電路所示。

圖5.最終 Y ?變換。

哪里：

反饋輸入引腳通常具有高阻抗，因此R的影響6可以忽略不計(jì)。

增加帶寬

開關(guān)穩(wěn)壓器工作頻率較高，通常高于1 MHz，允許使用小型外部元件。在最壞的情況下，它必須為動(dòng)態(tài)負(fù)載供電，因此反饋電阻網(wǎng)絡(luò)必須提供足夠的帶寬來精確跟蹤輸出電壓。由于內(nèi)部寄生開關(guān)電容，數(shù)字電位計(jì)充當(dāng)?shù)屯?a href="http://wenjunhu.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器。

如果反饋網(wǎng)絡(luò)沒有足夠的帶寬，輸出電壓將振蕩，如圖6所示。

圖6.分立反饋電阻與帶寬有限的數(shù)字電位計(jì)的比較。

克服這一限制的一種簡(jiǎn)單方法是在輸出和反饋網(wǎng)絡(luò)之間并聯(lián)放置一個(gè)電容（如圖7所示），從而降低高頻阻抗并最小化振蕩時(shí)間。

圖7.并聯(lián)電容降低了高頻阻抗，最大限度地減少了振蕩。

不折不扣的更簡(jiǎn)單的解決方案

ADI公司的新型AD5141 digiPOT克服了其他數(shù)字電位計(jì)帶來的問題。其獲得專利的線性增益設(shè)置模式允許獨(dú)立控制每個(gè)串電阻器，因此

啟用此模式后，無需外部電阻。電阻容差可以忽略不計(jì)，傳遞函數(shù)的總誤差僅由內(nèi)部串不匹配引起，通常小于1%。

每個(gè)串電阻都有一個(gè)相關(guān)的EEPROM位置，因此可以在上電時(shí)為每個(gè)串加載一個(gè)獨(dú)立的值。此外，該器件還提供高達(dá)3 MHz的帶寬，以實(shí)現(xiàn)快速反饋環(huán)路，如圖8所示。

圖8.AD5141 （10 kΩ）版本，線性增益設(shè)置模式。

結(jié)論

開關(guān)模式電源穩(wěn)壓器因其高效率而常用于大電流應(yīng)用。本文介紹了幾種可用于數(shù)字控制輸出電壓的方法。

由于在預(yù)定義的輸出狀態(tài)下為系統(tǒng)上電可以獲得固有的優(yōu)勢(shì)，因此需要使用具有內(nèi)部非易失性存儲(chǔ)器的數(shù)字電位計(jì)的解決方案。設(shè)計(jì)人員面臨的主要權(quán)衡包括提供足夠的分辨率、精度和帶寬以實(shí)現(xiàn)出色的性能。AD5141 digiPOT使設(shè)計(jì)人員能夠毫不妥協(xié)地提供最佳解決方案。

審核編輯：郭婷