利用數(shù)字電位計(jì)實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的輸出電壓調(diào)整

　　很多系統(tǒng)應(yīng)用都必須在較窄的限幅內(nèi)調(diào)整開關(guān)電源(SMPS)輸出電壓，以便移除電源路徑上的誤差和壓降、驗(yàn)證系統(tǒng)限幅的運(yùn)作，或者實(shí)現(xiàn)微處理器的簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)電壓控制。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可能需要調(diào)整電源電壓，從而優(yōu)化它們的電平，或者通過強(qiáng)制產(chǎn)生非正常電平來測(cè)試系統(tǒng)在極端條件下的性能。該功能通常在在線測(cè)試(ICT)期間執(zhí)行，以滿足制造商想要保證產(chǎn)品在標(biāo)稱電源的±10%范圍內(nèi)正常工作的期望。這種輸出電壓的變化步驟稱為裕量，即有意識(shí)地在預(yù)期范圍內(nèi)改變電源電壓。其他輸出變化應(yīng)用，比如微處理器的動(dòng)態(tài)電壓控制，必須能即時(shí)改變電壓，即在低功耗模式下降低電壓而在高性能模式下增加電壓。

　　圖1. 開關(guān)電源電壓控制環(huán)路的反饋網(wǎng)絡(luò)采用兩個(gè)電阻

　　將典型開關(guān)電源輸出電壓(圖1)與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，可看到差別集中在脈寬調(diào)制器(PWM)。PWM將斜坡與放大器輸出進(jìn)行比較，生成PWM信號(hào)來控制開關(guān)，從而向負(fù)載供電。

　　圖2. 使用數(shù)字電位計(jì)調(diào)整DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓，組成可變反饋電阻

　　控制誤差放大器引腳電壓，便可調(diào)整輸出電壓。這可以通過使用DAC,或者使用數(shù)字電位計(jì)，以外部方式實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。某些電壓調(diào)節(jié)器允許使用串行接口(比如PMBus、I2C或SPI)在內(nèi)部控制反饋電壓。表1比較了三種方法的調(diào)整能力和功耗。

　　數(shù)字電位計(jì)(或稱digiPOT)工作方式與傳統(tǒng)電位計(jì)相似，但用電子開關(guān)和數(shù)字信號(hào)代替機(jī)械游標(biāo)進(jìn)行操作，如圖3所示。digiPOT將一串小數(shù)值電阻與位于每?jī)蓚€(gè)電阻交叉點(diǎn)上的電子開關(guān)串聯(lián)。digiPOT分辨率與電阻網(wǎng)絡(luò)中的位控制節(jié)點(diǎn)量有關(guān)。控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)量越高，分辨率越高。

　　圖3. 顯示電子開關(guān)的64位數(shù)字電位計(jì)。同一時(shí)間只能閉合一個(gè)電子開關(guān)，該開關(guān)決定電阻比。

　　某些數(shù)字電位計(jì)采用非易失性存儲(chǔ)器，因此可在測(cè)試期間編程輸出電源。相比其他兩種方式，這項(xiàng)易于使用的特性具有極大的優(yōu)勢(shì)。

　　線性化傳遞函數(shù)

　　反饋電阻R1和R2的比值決定了開關(guān)電源輸出電壓。

　　其中：

　　VFB = 內(nèi)部基準(zhǔn)電壓

　　VOUT = 輸出電壓

　　R1 = 連接輸出的反饋電阻

　　R2 = 接地反饋電阻

　　以數(shù)字電位計(jì)代替R1和R2時(shí)，需考慮一些問題。數(shù)字電位計(jì)內(nèi)部有兩個(gè)電阻串(RAW和RWB)，如圖4所示。

　　圖4. 數(shù)字電位計(jì)電阻命名法

　　兩串電阻互補(bǔ)。

　　其中：

　　RAB = 端到端電阻或標(biāo)稱值

　　以RAW和RWB代替R1和R2可實(shí)現(xiàn)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5顯示了這個(gè)取自數(shù)字電位計(jì)的對(duì)數(shù)傳遞函數(shù)。

　　圖5. 以數(shù)字電位計(jì)代替反饋電阻后得到的對(duì)數(shù)傳遞函數(shù)

　　圖6. 在可變電阻模式下使用數(shù)字電位計(jì)

　　有多種方法可以克服此分辨率問題。比較常用的方法是在可變電阻模式下使用數(shù)字電位計(jì)(如圖6所示);或者將電阻與電位計(jì)串聯(lián)(如圖7所示)。

　　圖7. 在電位計(jì)模式下線性化

　　最小化誤差

　　由于電阻公差，將數(shù)字電位計(jì)與外部電阻一同使用可能導(dǎo)致失配問題。精密器件可能具有1%的電阻公差，但大部分?jǐn)?shù)字電位計(jì)只能達(dá)到20%的電阻公差。

　　這種情況下，可通過串并聯(lián)電阻組合減少失配(如圖8和圖9所示);其缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍也會(huì)縮小。

　　圖8. 可變電阻和串聯(lián)電阻[!--empirenews.page--]

　　圖9. 電位計(jì)模式

　　在可變電阻模式下，串聯(lián)電阻必須足夠高，才能忽略數(shù)字電位計(jì)的公差，即R2 ≥ 10 × RAB。在電位計(jì)模式下，并聯(lián)電阻必須足夠小，即R3 ≤ RAB/10。

　　使用串并聯(lián)組合對(duì)電位計(jì)進(jìn)行線性化可能十分復(fù)雜，如圖10中的等效電路所示。

　　圖10. 最終Y-Δ變換

　　其中：

　　反饋輸入引腳通常具有較高的阻抗，因此R6的影響可以忽略。

　　開關(guān)調(diào)節(jié)器工作在較高頻率下(通常高于1 MHz)，因而允許使用小數(shù)值外部元件。在最差情況下，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，才能精確跟蹤輸出電壓。 由于存在寄生內(nèi)部開關(guān)電容，數(shù)字電位計(jì)可用作低通濾波器，如圖11所示。如果反饋網(wǎng)絡(luò)無法提供足夠的帶寬，則輸出電壓可能振蕩。

　　圖11. 如果反饋電阻網(wǎng)絡(luò)無法提供足夠的帶寬來精確跟蹤輸出電壓，則雜散電容導(dǎo)致的寄生效應(yīng)可能帶來麻煩。

　　克服這一限制的一種簡(jiǎn)單方法，是將一個(gè)電容并聯(lián)放置在輸出與反饋網(wǎng)絡(luò)之間(如圖12所示)，以便降低高頻阻抗，并最大程度地縮短振蕩時(shí)間。

　　圖12. 并聯(lián)電容降低高頻阻抗，最大程度地減少振蕩

　　更簡(jiǎn)單的解決方案

　　ADI公司的AD5141 digiPOT克服了其他數(shù)字電位計(jì)的某些問題。它提供：

　　● 非易失性256位調(diào)整

　　● 10 kΩ和100 kΩ電阻選項(xiàng)

　　● 8%最大電阻公差

　　● ±6 mA游標(biāo)電流

　　● 35 ppm/°C溫度系數(shù)

　　● 3 MHz帶寬

　　● < 75 μS啟動(dòng)時(shí)間

　　● 線性增益設(shè)置模式

　　● 單電源及雙電源供電

　　● 1.8 V至5.5 V獨(dú)立邏輯電源

　　● -40°C至+125°C工作溫度

　　● 3 mm × 3 mm LFCSP封裝

　　● 4 kV ESD保護(hù)

　　圖13. AD5141功能框圖

　　AD5141(圖13)可作為真可變電阻使用，用于處理端電壓范圍為VSS < VTERM < VDD的模擬信號(hào)。電阻游標(biāo)位置取決于RDAC寄存器內(nèi)容。RDAC寄存器用作暫存寄存器，允許無限制地更改電阻設(shè)置。輔助寄存器(輸入寄存器)可用于預(yù)載入RDAC寄存器數(shù)據(jù)。

　　低電阻公差和低標(biāo)稱溫度系數(shù)簡(jiǎn)化了開環(huán)應(yīng)用和需要公差匹配的應(yīng)用。

　　AD5141的主要優(yōu)勢(shì)是采用了最新的專利功能，稱為“線性增益設(shè)置模式”.該模式允許對(duì)數(shù)字電位計(jì)端子RAW和RWB兩串電阻之間的電阻值獨(dú)立編程，使得：

　　采用這種模式，則無需通過外部電阻實(shí)現(xiàn)線性開關(guān)電源電壓調(diào)整;另外，電阻公差也可以忽略了，同時(shí)傳遞函數(shù)總誤差僅與內(nèi)部電阻串失配有關(guān)，而后者通常不足1%，并具有低溫漂特性。

　　每一個(gè)電阻串都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的EEPROM位置，因此上電時(shí)可載入每一個(gè)電阻串的獨(dú)立值。此外，器件還為快速反饋環(huán)路提供了高達(dá)3 MHz的帶寬。

　　寬帶寬和低總諧波失真(THD)確保對(duì)于交流信號(hào)具有最佳性能，適合濾波器設(shè)計(jì)。在電阻陣列末端的游標(biāo)電阻低至40 Ω，允許進(jìn)行引腳到引腳連接。

　　游標(biāo)電阻值可通過一個(gè)SPI/I2C兼容數(shù)字接口設(shè)置，也可利用該接口回讀游標(biāo)寄存器和EEPROM內(nèi)容。

　　可利用I2C或SPI接口(使用DIS引腳便可通過硬件來加以選擇)設(shè)置任意位，實(shí)現(xiàn)針對(duì)RDAC寄存器的編程。找到所需的游標(biāo)位置后，可以將該值存儲(chǔ)在EEPROM存儲(chǔ)器中。以后上電時(shí)游標(biāo)位置始終會(huì)恢復(fù)到該位置。存儲(chǔ)EEPROM數(shù)據(jù)大約需要18 ms;在這段時(shí)間內(nèi)，器件會(huì)鎖定并不會(huì)應(yīng)答任何新命令，因而可防止出現(xiàn)任何更改?？焖賳?dòng)時(shí)間(<75 μS)保證了完成電源序列后可快速刷新寄存器。