利用数字电位计实现开关模式电源的快速、线性调节

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利用数字电位计实现开关模式电源的快速、线性调节

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       若能够精细调节电源的输出电压，就能够移除电源路径上的容差 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。本文探讨调节开关模式电源(SMPS)的多种方案，并提出 将带有数字电位计的开关调节器用作反馈控制元件的解决方案， 同时强调了设计问题以及解决问题的途径。最后，提出一种采用 AD5141 单通道非易失性digiPOT来解决本应用常见限制的简单方法。

       在高电流系统中，开关模式电源调节器相比线性调节器具有更高 的效率，其在电流高于100 μA时的典型效率超过90%。

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

       目前LDO的静态电流相当低，因此如果Iq与ILOAD相比极小，则可以 忽略。然后，LDO效率只需等于 (VOUT/VIN) × 100。LDO无法储存大量 未使用的能量，因此未输送到负载的功率以热量形式在LDO内部 耗散。LDO效率典型值为低于83%。

       由于开关调节器具有较低的损耗，因而正在逐步取代ATE、FPGA 以及仪器仪表等要求高电或动态负载应用中的线性调节器。

       系统设计人员经常需要调节电源电压，从而优化其电平或者在极 端条件下对系统性能进行特性表征时迫使器件偏离标称值。该功 能通常在在线测试(ICT)期间执行，而制造商希望保证产品在标称 电源的±10%范围内正常工作(举例而言)。

       这一步骤称为裕量调整，即有意识地在预期范围内改变电源电 压。此外，精细调节输出电压的能力使其可以补偿电源路径上的 电源容差和压降。

       其他应用，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。

       SMPS工作方式与LDO类似，如图1所示。输出电压与内部基准电 压相比较，其差值关联至脉冲宽度调制器。

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图1. SMPS压控环路

       脉冲宽度调制器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。

       控制反相放大器引脚电压，便可调节输出电压。

       这可以通过外部方式实现，比如使用DAC或数字电位计。某些调 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比较了全部三种方法的调节能力和功耗。

表1. 基准分析小结——可调节SMPS

方法	粗调	微调	供电轨	典型功耗
DAC	中	高	VMIN < 2.5 V	>100 μA
digiPOT	高	中	VMIN < 2.3 V	<20 μA
内部寄存器	高	低	不适用	低

       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

       公式2描述了根据反馈电阻R1和R2的比值而确定的SMPS输出电压：

       其中，VFEEDBACK是内部基准电压。

       使用数字电位计直接替换R1和R2前，需考虑一些问题。 数字电位计内部有两个电阻串RAW和RWB。

       两串电阻互补。

       其中，RAB是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2显示了一个16抽头数字电位计示例。

    图2. 对数传递函数

       有多种方法可以克服这个问题；最常用的方法是在可变电阻模式下使用数字电位计，或者将电阻与电位计串联。

       最小化容差

       由于电阻容差，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%的电阻容差，但大部分数字电位计只能达到20%的电阻容差。

这种情况下，可通过串联/并联电阻组合减少失配，如图3和图4所示；其缺点是动态范围也会缩小。

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图3. 可变电阻和串联电阻

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图4. 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容差，即R2 ≥ 10 × RAB。在电位计模式下，并联电阻必须足够小，即 .

使用串联-并联组合对电位计进行线性化可能十分复杂，如图5中的等效电路所示。

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图5. 最终 Y-∆ 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。

       增加带宽

       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。

       如果反馈网络无法提供足够的带宽，则输出电压可能振荡，如图6所示。

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图6. 分立式反馈电阻与数字电位计的关系(带宽受限)

       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7所示)，以便降低高频阻抗，并最大程度地缩短振荡时间。

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图7. 并联电容降低高频阻抗，最大程度地减少振荡

       更为简单但效果不打折扣的解决方案

       ADI最新的AD5141 digiPOT克服了其他数字电位计的问题。该器件的专有线性增益设置模式允许对每一个电阻串进行单独控制，从而：

       如果使能该模式，则无需外部电阻。电阻容差也可以忽略不计，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%。

       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高达3 MHz的带宽，如图8所示。

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图8. 线性增益设置模式下的AD5141 (10 kΩ) 版本

       结论

       由于效率较高，开关模式电源调节器通常用于高电流应用中。 本文描述了数字控制输出电压的几种方法。

       由于在预定义输出状态下为系统上电具有内在优势，因而可使用内置非易失性存储器的数字电位计解决方案。设计人员所面临的主要权衡取舍包括提供足够的分辨率、精度和带宽，以便获得出色的性能。AD5141 digiPOT可让设计人员实现效果不打折扣的最优解决方案。

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