利用数字电位计实现开关电源的输出电压调整

很多系统应用都必须在较窄的限幅内调整开关电源(SMPS)输出电压，以便移除电源路径上的误差和压降、验证系统限幅的运作，或者实现微处理器的简单动态电压控制。此外，系统设计人员可能需要调整电源电压，从而优化它们的电平，或者通过强制产生非正常电平来测试系统在极端条件下的性能。该功能通常在在线测试(ICT)期间执行，以满足制造商想要保证产品在标称电源的±10%范围内正常工作的期望。这种输出电压的变化步骤称为裕量，即有意识地在预期范围内改变电源电压。其他输出变化应用，比如微处理器的动态电压控制，必须能即时改变电压，即在低功耗模式下降低电压而在高性能模式下增加电压。

 

 

图1.开关电源电压控制环路的反馈网络采用两个电阻

将典型开关电源输出电压(图1)与内部基准电压进行比较，可看到差别集中在脉宽调制器(PWM)。PWM将斜坡与放大器输出进行比较，生成PWM信号来控制开关，从而向负载供电。

 

 

图2.使用数字电位计调整DC-DC转换器输出电压，组成可变反馈电阻

控制误差放大器引脚电压，便可调整输出电压。这可以通过使用DAC，或者使用数字电位计，以外部方式实现，如图2所示。某些电压调节器允许使用串行接口(比如PMBus、I2C或SPI)在内部控制反馈电压。表1比较了三种方法的调整能力和功耗。

 

 

数字电位计(或称digiPOT)工作方式与传统电位计相似，但用电子开关和数字信号代替机械游标进行操作，如图3所示。digiPOT将一串小数值电阻与位于每两个电阻交叉点上的电子开关串联。digiPOT分辨率与电阻网络中的位控制节点量有关。控制节点的数量越高，分辨率越高。

 

 

图3.显示电子开关的64位数字电位计。同一时间只能闭合一个电子开关，该开关决定电阻比。

某些数字电位计采用非易失性存储器，因此可在测试期间编程输出电源。相比其他两种方式，这项易于使用的特性具有极大的优势。

线性化传递函数

反馈电阻R1和R2的比值决定了开关电源输出电压。

 

 

其中：

VFB =内部基准电压

VOUT =输出电压

R1 =连接输出的反馈电阻

R2 =接地反馈电阻

以数字电位计代替R1和R2时，需考虑一些问题。数字电位计内部有两个电阻串(RAW和RWB)，如图4所示。

 

 

图4.数字电位计电阻命名法

两串电阻互补。

 

 

其中：

RAB =端到端电阻或标称值

以RAW和RWB代替R1和R2可实现对数传递函数。数字码和输出电压之间的非线性关系降低了低端分辨率。图5显示了这个取自数字电位计的对数传递函数。

 

 

图5.以数字电位计代替反馈电阻后得到的对数传递函数

 

 

图6.在可变电阻模式下使用数字电位计

有多种方法可以克服此分辨率问题。比较常用的方法是在可变电阻模式下使用数字电位计(如图6所示);或者将电阻与电位计串联(如图7所示)。

 

 

图7.在电位计模式下线性化

最小化误差

由于电阻公差，将数字电位计与外部电阻一同使用可能导致失配问题。精密器件可能具有1%的电阻公差，但大部分数字电位计只能达到20%的电阻公差。

这种情况下，可通过串并联电阻组合减少失配(如图8和图9所示);其缺点是动态范围也会缩小。

 

 

图8.可变电阻和串联电阻[!--empirenews.page--]

 

 

图9.电位计模式

在可变电阻模式下，串联电阻必须足够高，才能忽略数字电位计的公差，即R2≥10×RAB.在电位计模式下，并联电阻必须足够小，即R3≤RAB/10.

使用串并联组合对电位计进行线性化可能十分复杂，如图10中的等效电路所示。

 

 

图10.最终Y-Δ变换

其中：

 

 

反馈输入引脚通常具有较高的阻抗，因此R6的影响可以忽略。

开关调节器工作在较高频率下(通常高于1 MHz)，因而允许使用小数值外部元件。在最差情况下，它必须为动态负载供电，因此反馈电阻网络必须提供足够的带宽，才能精确跟踪输出电压。由于存在寄生内部开关电容，数字电位计可用作低通滤波器，如图11所示。如果反馈网络无法提供足够的带宽，则输出电压可能振荡。

 

 

图11.如果反馈电阻网络无法提供足够的带宽来精确跟踪输出电压，则杂散电容导致的寄生效应可能带来麻烦。

克服这一限制的一种简单方法，是将一个电容并联放置在输出与反馈网络之间(如图12所示)，以便降低高频阻抗，并最大程度地缩短振荡时间。

 

 

图12.并联电容降低高频阻抗，最大程度地减少振荡

更简单的解决方案

ADI公司的AD5141 digiPOT克服了其他数字电位计的某些问题。 它提供：

● 非易失性256位调整

● 10 kΩ和100 kΩ电阻选项

● 8%最大电阻公差

● ±6 mA游标电流

● 35 ppm/°C温度系数

● 3 MHz带宽

● < 75 μS启动时间

● 线性增益设置模式

● 单电源及双电源供电

● 1.8 V至5.5 V独立逻辑电源

● -40°C至+125°C工作温度

● 3 mm × 3 mm LFCSP封装

● 4 kV ESD保护

 

 

图13. AD5141功能框图

AD5141(图13)可作为真可变电阻使用，用于处理端电压范围为VSS < VTERM < VDD的模拟信号。电阻游标位置取决于RDAC寄存器内容。RDAC寄存器用作暂存寄存器，允许无限制地更改电阻设置。辅助寄存器(输入寄存器)可用于预载入RDAC寄存器数据。

低电阻公差和低标称温度系数简化了开环应用和需要公差匹配的应用。

AD5141的主要优势是采用了最新的专利功能，称为“线性增益设置模式”。该模式允许对数字电位计端子RAW和RWB两串电阻之间的电阻值独立编程，使得：

 

 

采用这种模式，则无需通过外部电阻实现线性开关电源电压调整;另外，电阻公差也可以忽略了，同时传递函数总误差仅与内部电阻串失配有关，而后者通常不足1%，并具有低温漂特性。

每一个电阻串都有一个对应的EEPROM位置，因此上电时可载入每一个电阻串的独立值。此外，器件还为快速反馈环路提供了高达3 MHz的带宽。

宽带宽和低总谐波失真(THD)确保对于交流信号具有最佳性能，适合滤波器设计。在电阻阵列末端的游标电阻低至40 Ω，允许进行引脚到引脚连接。

游标电阻值可通过一个SPI/I2C兼容数字接口设置，也可利用该接口回读游标寄存器和EEPROM内容。

可利用I2C或SPI接口(使用DIS引脚便可通过硬件来加以选择)设置任意位，实现针对RDAC寄存器的编程。找到所需的游标位置后，可以将该值存储在EEPROM存储器中。 以后上电时游标位置始终会恢复到该位置。存储EEPROM数据大约需要18 ms;在这段时间内，器件会锁定并不会应答任何新命令，因而可防止出现任何更改。快速启动时间(<75 μS)保证了完成电源序列后可快速刷新寄存器。