使用按鈕式數(shù)字電位器的可調電壓輸出設計
問題:
如何使用數(shù)字電位器來產(chǎn)生可調電壓輸出?
答案:
使用按鈕式數(shù)字電位器。
本文介紹一款利用按鈕式數(shù)字電位器簡單高效地控制高達20 V電壓的完整解決方案。這款完整的解決方案提供一種可調電源,可用于需要可調電壓輸出的各種應用。圖1顯示具有可變輸出功率的相應開關穩(wěn)壓器,使用AD5116數(shù)字電位器和具有集成式推挽輸出級的ADCMP371比較器。通過添加開關,而不是按鈕,可以使用微控制器來調節(jié)電壓。
AD5116具有64個可用的游標位置,端到端電阻容差為±8%。此外,AD5116包含一個EEPROM來存儲游標位置,可通過按鈕手動設置。對于需要固定標準上電電壓的應用,這個功能非常有用。
該電路由電壓VIN供電,最高可達20 V。AD5116和ADCMP371的電源電壓VDD也可由VIN生成,例如,通過ADP121等穩(wěn)壓器。
圖1.帶可變輸出、通過按鈕控制的高壓開關穩(wěn)壓器。
電路工作原理
輸出電壓VOUT通過反饋網(wǎng)絡的開關頻率控制。通過分壓器反饋到比較器,然后與數(shù)字電位器設置的基準電壓進行比較。如果從VOUT獲取的電壓高于基準電壓,比較器輸出切換到低電平,以阻隔NMOS晶體管T1和PMOS晶體管T2,從而降低VOUT。如果從VOUT獲取的電壓低于基準電壓,比較器輸出切換到高電平,兩個晶體管切換到導通狀態(tài)(飽和),從而增加VOUT。通過這種基于比較的功能,晶體管在開啟/關斷模式下以短脈沖工作,使各晶體管保持低損耗。除電位器的輸出電壓外,開關頻率還受VOUT的負載影響。
隨著數(shù)模轉換器(DAC)輸出電壓增高,T2關斷的時間變長,比較器輸出相應增高。比較器輸出提供一系列更高頻率、速度更快的正電源輸出脈沖。如果DAC輸出電壓降低,則情況相反。
經(jīng)過濾波的VOUT通過公式1確定。
VW為電位器抽頭W處的DAC輸出電壓。
AD5116的A抽頭和B抽頭之間的電阻標稱值為5 k?,劃分為64級階躍。在量程的較低端,典型游標電阻RW降至45 ?到70 ?之間。相對于GND的VW輸出電壓為:
其中RWB為:
RWB是抽頭W和較低端的GND之間的電阻值。
RAB為電位器的總電阻。
VA為分壓器串頂端的電壓;在本例中,它等于VDD。
D為AD5116的RDAC寄存器中二進制代碼的十進制等效值。
AD5116的RDAC寄存器通過按鈕PD和PU進行控制。默認的上電位置(例如VOUT = 0 V)可以通過ASE引腳存儲在電位器的EEPROM中。
濾波器輸出:減少紋波
為了獲得平穩(wěn)的輸出電壓VOUT并減少開關T1和T2導致的紋波,需要使用額外的濾波器電路(參見圖2)。在設計此濾波器時,需考慮AD5116的最大和最小開關頻率,以及其工作電壓范圍。
對于圖2所示的電路,開關頻率范圍約為1.8 Hz至500 Hz。因為這個值相當?shù)?,所以在確定濾波器的截止頻率時,通常需要使用更大的R、L和C值。但是,濾波器的串聯(lián)電阻和輸出負載構成了一個分壓器,會降低輸出電壓。所以,在選擇R值時,應選擇相對較低的值。
該電路采用了一個簡單的RLC低通濾波器。R和C分別為50 Ω和330 μF,L為100 nH。該電路在構建時,也可以選擇使用脈寬調制器(PWM)來驅動晶體管和上游的誤差放大器。
參考資料
CN-0405:帶按鈕控制的高壓輸出DAC。ADI公司,2017年3月。
圖2.用于使輸出電壓平穩(wěn)的濾波器電路