很多系統應用都必須在較窄的限幅內調整開(kāi)關(guān)電源(SMPS)輸出電壓，以便移除電源路徑上的誤差和壓降、驗證系統限幅的運作，或者實(shí)現微處理器的簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)電壓控制。此外，系統設計人員可能需要調整電源電壓，從而優(yōu)化它們的電平，或者通過(guò)強制產(chǎn)生非正常電平來(lái)測試系統在極端條件下的性能。該功能通常在在線(xiàn)測試(ICT)期間執行，以滿(mǎn)足制造商想要保證產(chǎn)品在標稱(chēng)電源的±10%范圍內正常工作的期望。這種輸出電壓的變化步驟稱(chēng)為裕量，即有意識地在預期范圍內改變電源電壓。其他輸出變化應用，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(kāi)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(kāi)關(guān)電源輸出電壓(圖1)與內部基準電壓進(jìn)行比較，可看到差別集中在脈寬調制器(PWM)。PWM將斜坡與放大器輸出進(jìn)行比較，生成PWM信號來(lái)控制開(kāi)關(guān)，從而向負載供電。
圖2.使用數字電位計調整DC-DC轉換器輸出電壓，組成可變反饋電阻
控制誤差放大器引腳電壓，便可調整輸出電壓。這可以通過(guò)使用DAC，或者使用數字電位計，以外部方式實(shí)現，如圖2所示。某些電壓調節器允許使用串行接口(比如PMBus、I2C或SPI)在內部控制反饋電壓。表1比較了三種方法的調整能力和功耗。
數字電位計(或稱(chēng)digiPOT)工作方式與傳統電位計相似，但用電子開(kāi)關(guān)和數字信號代替機械游標進(jìn)行操作，如圖3所示。digiPOT將一串小數值電阻與位于每?jì)蓚�(gè)電阻交叉點(diǎn)上的電子開(kāi)關(guān)串聯(lián)。digiPOT分辨率與電阻網(wǎng)絡(luò )中的位控制節點(diǎn)量有關(guān)�？刂乒濣c(diǎn)的數量越高，分辨率越高。
圖3.顯示電子開(kāi)關(guān)的64位數字電位計。同一時(shí)間只能閉合一個(gè)電子開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)決定電阻比。
某些數字電位計采用非易失性存儲器，因此可在測試期間編程輸出電源。相比其他兩種方式，這項易于使用的特性具有極大的優(yōu)勢。
線(xiàn)性化傳遞函數
反饋電阻R1和R2的比值決定了開(kāi)關(guān)電源輸出電壓。
其中：
VFB =內部基準電壓
VOUT =輸出電壓
R1 =連接輸出的反饋電阻
R2 =接地反饋電阻
以數字電位計代替R1和R2時(shí)，需考慮一些問(wèn)題。數字電位計內部有兩個(gè)電阻串(RAW和RWB)，如圖4所示。
圖4.數字電位計電阻命名法
兩串電阻互補。
其中：
RAB =端到端電阻或標稱(chēng)值
以RAW和RWB代替R1和R2可實(shí)現對數傳遞函數。數字碼和輸出電壓之間的非線(xiàn)性關(guān)系降低了低端分辨率。圖5顯示了這個(gè)取自數字電位計的對數傳遞函數。
圖5.以數字電位計代替反饋電阻后得到的對數傳遞函數
圖6.在可變電阻模式下使用數字電位計
有多種方法可以克服此分辨率問(wèn)題。比較常用的方法是在可變電阻模式下使用數字電位計(如圖6所示);或者將電阻與電位計串聯(lián)(如圖7所示)。
圖7.在電位計模式下線(xiàn)性化
最小化誤差
由于電阻公差，將數字電位計與外部電阻一同使用可能導致失配問(wèn)題。精密器件可能具有1%的電阻公差，但大部分數字電位計只能達到20%的電阻公差。
這種情況下，可通過(guò)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，才能忽略數字電位計的公差，即R2≥10×RAB.在電位計模式下，并聯(lián)電阻必須足夠小，即R3≤RAB/10.
使用串并聯(lián)組合對電位計進(jìn)行線(xiàn)性化可能十分復雜，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(kāi)關(guān)調節器工作在較高頻率下(通常高于1 MHz)，因而允許使用小數值外部元件。在最差情況下，它必須為動(dòng)態(tài)負載供電，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。由于存在寄生內部開(kāi)關(guān)電容，數字電位計可用作低通濾波器，如圖11所示。如果反饋網(wǎng)絡(luò )無(wú)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(wú)法提供足夠的帶寬來(lái)精確跟蹤輸出電壓，則雜散電容導致的寄生效應可能帶來(lái)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克服了其他數字電位計的某些問(wèn)題。 它提供：
● 非易失性256位調整
● 10 kΩ和100 kΩ電阻選項
● 8%最大電阻公差
● ±6 mA游標電流
● 35 ppm/°C溫度系數
● 3 MHz帶寬
● < 75 μS啟動(dòng)時(shí)間
● 線(xiàn)性增益設置模式
● 單電源及雙電源供電
● 1.8 V至5.5 V獨立邏輯電源
● -40°C至+125°C工作溫度
● 3 mm × 3 mm LFCSP封裝
● 4 kV ESD保護
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。電阻游標位置取決于RDAC寄存器內容。RDAC寄存器用作暫存寄存器，允許無(wú)限制地更改電阻設置。輔助寄存器(輸入寄存器)可用于預載入RDAC寄存器數據。
低電阻公差和低標稱(chēng)溫度系數簡(jiǎn)化了開(kāi)環(huán)應用和需要公差匹配的應用。
AD5141的主要優(yōu)勢是采用了最新的專(zhuān)利功能，稱(chēng)為“線(xiàn)性增益設置模式”。該模式允許對數字電位計端子RAW和RWB兩串電阻之間的電阻值獨立編程，使得：
采用這種模式，則無(wú)需通過(guò)外部電阻實(shí)現線(xiàn)性開(kāi)關(guān)電源電壓調整;另外，電阻公差也可以忽略了，同時(shí)傳遞函數總誤差僅與內部電阻串失配有關(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)對應的EEPROM位置，因此上電時(shí)可載入每一個(gè)電阻串的獨立值。此外，器件還為快速反饋環(huán)路提供了高達3 MHz的帶寬。
寬帶寬和低總諧波失真(THD)確保對于交流信號具有最佳性能，適合濾波器設計。在電阻陣列末端的游標電阻低至40 Ω，允許進(jìn)行引腳到引腳連接。
游標電阻值可通過(guò)一個(gè)SPI/I2C兼容數字接口設置，也可利用該接口回讀游標寄存器和EEPROM內容。
可利用I2C或SPI接口(使用DIS引腳便可通過(guò)硬件來(lái)加以選擇)設置任意位，實(shí)現針對RDAC寄存器的編程。找到所需的游標位置后，可以將該值存儲在EEPROM存儲器中。 以后上電時(shí)游標位置始終會(huì )恢復到該位置。存儲EEPROM數據大約需要18 ms;在這段時(shí)間內，器件會(huì )鎖定并不會(huì )應答任何新命令，因而可防止出現任何更改�？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。 |
