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，系统设计人员可能要调整电源电压，从而优化它们的电平，或者通过强制出现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新增电压。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

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≥10RAB。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1MHz)，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供应足够的带宽，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。假如反馈网络无法供应足够的带宽，则输出电压可能振荡。

图11.假如反馈电阻网络无法供应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

更简单的解决方法

ADI公司的AD5141digipOT克服了其他数字电位计的某些问题。它供应：

●非易失性256位调整

●10k和100k电阻选项

●8%最大电阻公差

●±6mA游标电流

●35ppm/°C温度系数

●3MHz带宽

●<75μS启动时间

●线性增益设置模式

●单电源及双电源供电

●1.8V至5.5V独立逻辑电源

●-40°C至+125°C工作温度

●3mm3mmLFCSp封装

●4kVESD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

低电阻公差和低标称温度系数简化了开环应用和要公差匹配的应用。

AD5141的重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供应了高达3MHz的带宽。

宽带宽和低总谐波失真(THD)确保关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，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数据大约要18ms;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(<75μS)保证了完成电源序列后可快速刷新寄存器。