数字电位计可实现开关模式电源的快速线性调整

通过微调电源中的输出电压，可以消除电源路径中的容差和压降，验证系统限值下的运行，或为微处理器实现简单的动态电压控制。本文探讨了调整开关模式电源（SMPS）的几种选择，并提出了一种使用带有数字电位计的开关稳压器作为反馈控制元件的解决方案，重点介绍了设计问题及其解决方法。最后，介绍了AD5141单通道、非易失性digiPOT，作为克服本应用中常见限制的简单方法。

在大电流系统中，开关模式电源稳压器的效率高于线性稳压器，对于高于100 μA的电流，典型效率大于90%。

在低压差（LDO）稳压器中，效率取决于静态电流（Iq）和正向压降，静态电流越高，效率越低，如公式1所示。

当今的LDO具有相当低的静态电流，因此如果Iq与I 相比非常小，则可以忽略不计负荷.然后，LDO效率为（V外/V在） ×100。由于LDO无法存储大量未使用的能量，因此未输送到负载的功率在LDO内以热量的形式消散。典型的LDO效率低于83%。

凭借较低的损耗，开关稳压器正在取代需要高电流或动态负载的 ATE、FPGA 和仪器仪表等应用中的线性稳压器。

在极端条件下表征系统性能时，系统设计人员通常需要调整电源电压，以优化其电平或迫使其远离标称值。此功能通常在在线测试（ICT）期间执行，例如，当制造商希望保证产品在标称电源±10%时正常工作时。

此过程称为裕量调节，通过故意在预期范围内改变电源电压来完成。此外，微调输出电压的能力使得补偿电源容差和电源路径中的压降成为可能。

其他应用，如微处理器的动态电压控制，必须能够动态改变电压，在低功耗模式下降低电压，在高性能模式下增加电压。

SMPS的工作方式与LDO类似，如图1所示。将输出电压与内部基准进行比较，差值连接到脉宽调制器。

图1.开关电源电压控制环路。

脉宽调制器将斜坡与放大器输出进行比较，并生成PWM信号，控制向负载输送能量的开关。

可通过控制反相放大器引脚上的电压来调节输出电压。

这可以在外部使用DAC或数字电位计完成。一些稳压器允许使用串行接口（如PMBUS、I2C 或 SPI。表1比较了这三种方法的调节能力和功耗。

 

方法	粗略调整	微调	电源轨	典型功耗
代数转换器	美杜姆	高	V最低< 2.5 V	>100 μA
数字锅	高	美杜姆	V最低< 2.3 V	>20 μA
内部寄存器	高	低	不適用	低

 

一些数字电位计提供非易失性存储器，因此可以在测试中对输出电源进行编程。与其他两种方法相比，这种易于使用的功能提供了实质性的好处。

线性化传递方程

公式2描述了基于反馈电阻R之比的SMPS输出电压1和 R2,

其中 V反馈是内部基准电压。

在直接替换 R 之前1和 R2对于数字电位计，应考虑一些问题。数字电位计内部有两个电阻串，R嗖嗖和 R工 务 局.

两个串电阻器是互补的，

其中 R血型是端到端电阻或标称值。

替换 R1和 R2与 R嗖嗖和 R工 务 局产生对数传递函数。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2所示为16抽头数字电位计的示例。

图2.对数传递函数。

这个问题可以通过多种方式克服;更常见的是在变阻器模式下使用数字电位计，或将电阻与电位计串联。

最小化公差

由于电阻容差，将数字电位计与外部电阻结合使用可能会导致失配问题。精密器件可能具有1%的电阻容差，但绝大多数数字电位计只能实现20%的电阻容差。

在这种情况下，通过使用串联/并联电阻组合可以减少失配，如图3和图4所示。缺点是动态范围也会减小。

图3.变阻器和串行电阻器。

图4.电位计模式。

在变阻器模式下，串联电阻必须足够高，以使数字电位计的容差可以忽略不计，即R2≥ 10 × R血型.在电位计模式下，并联电阻必须足够小，即

。

使用串并联组合对电位计进行线性化可能相当复杂，如图5的等效电路所示。

图5.最终 Y ∆变换。

哪里：

 

反馈输入引脚通常具有高阻抗，因此R的影响6可以忽略不计。

增加带宽

开关稳压器工作频率较高，通常高于1 MHz，允许使用小型外部元件。在最坏的情况下，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来精确跟踪输出电压。由于内部寄生开关电容，数字电位计充当低通滤波器。

如果反馈网络没有足够的带宽，输出电压将振荡，如图6所示。

图6.分立反馈电阻与带宽有限的数字电位计的比较。

克服这一限制的一种简单方法是在输出和反馈网络之间并联放置一个电容（如图7所示），从而降低高频阻抗并最小化振荡时间。

图7.并联电容降低了高频阻抗，最大限度地减少了振荡。

不折不扣的更简单的解决方案

ADI公司的新型AD5141 digiPOT克服了其他数字电位计带来的问题。其获得专利的线性增益设置模式允许独立控制每个串电阻器，因此

启用此模式后，无需外部电阻。电阻容差可以忽略不计，传递函数的总误差仅由内部串不匹配引起，通常小于1%。

每个串电阻都有一个相关的EEPROM位置，因此可以在上电时为每个串加载一个独立的值。此外，该器件还提供高达3 MHz的带宽，以实现快速反馈环路，如图8所示。

图8.AD5141 （10 kΩ）版本，线性增益设置模式。

结论

开关模式电源稳压器因其高效率而常用于大电流应用。本文介绍了几种可用于数字控制输出电压的方法。

由于在预定义的输出状态下为系统上电可以获得固有的优势，因此需要使用具有内部非易失性存储器的数字电位计的解决方案。设计人员面临的主要权衡包括提供足够的分辨率、精度和带宽以实现出色的性能。AD5141 digiPOT使设计人员能够毫不妥协地提供最佳解决方案。

审核编辑：郭婷