【導(dǎo)讀】本文為大家分享如何利用數(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)微處理器的簡單動(dòng)態(tài)電壓控制。
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)生非正常電平來測試系統(tǒng)在極端條件下的性能。該功能通常在在線測試（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)值電阻與位于每兩個(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。
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
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。
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
實(shí)例：更簡單的解決方案
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。快速啟動(dòng)時(shí)間（<75 μS）保證了完成電源序列后可快速刷新寄存器。
