数字电位器在DC-DC变换器中的应用

1 引言

　　数字电位器（DCP）是数控电阻大小的器件，数控的接口方式有直接按键方式、三线接口方式（选片线、方向线、脉冲线）、SPI接口方式和I2C接口方式。通常用于校准系统精度和控制系统参数的大小。

2 脉宽调制模式

　　早上20世纪60年代，电源的开关调节首先应用在军用电源的设计中。它的优势在于重量轻和效率高，可以控制均衡电量的加载，就是控制均衡电压的供给，通过高速动作的开关量的开和关来实现。如图1所示，加载到电阻器上的平均电压Vo(avg)=(ton/T)×Vi，这种控制方法就称为脉宽调制模式。本文概述在二种类型DC-DC变换器中数字电位器的应用，包括如何调节反馈电阻来获得输出电压。

3 降压型DC-DC变换器

　　图2所示为降压型DC-DC变换器的典型电路，当控制器IC感应到输出电压Vo太低时，启动通道上的晶体管Q给电感器L充电，同时也对电容器C充电，当输出电压V0上升到一个预定值时，控制器关闭通道上的晶体管Q，电感器L和电容器C上获取的能量通过肖特基二极管构成的回路自由释放，从电感器L到电容器C进行有效的能量传输会消耗一部分能量，因此加载在负载上的电压有所下降。

　　以TI公司的TPS62000型电路为例，如图3所示，它是低噪声同步降压型DC-DC变换器，内部采用电流模式PWM控制器，工作频率典型值为750kHz。在关闭模式下，电流损耗可降低到1μA，非常适合于1节锂离子电池、2节到3节镍铬、镍氢电池或碱性电池。2节电池供电时，输出最大电流为200mA；3节电池供电时，输出最大电流为600mA。

　　TPS62000DGS的输出电压可调，通过调整反馈引脚FB的电压值来达到输出电压V0的变化，采用数字电位器来调节反馈引脚FB的电压。在图3中，H为数字电位器可调电阻器的高电压端，L为数字电位器可调电阻器的低电压端，W为数字电位器滑动电压输出端。输出电压的计算公式为V0=0.45V×(1+RH/RL),其中要求RH+RL≤1MΩ，每次调接的电阻值为1kΩ。3线接口可设计成单片机控制或按键直接控制（外扩逻辑电路），在减小数字电位器RL的阻值时，输出电压V0会增加。由于该器件是DC-DC降压器件，因此输出电压V0最大值为输入电压VI。

　　当数字电位器调节到RH=82kΩ,RL=18kΩ时，输出电压；

Vo=0.45×(1+82kΩ/18kΩ)=2.5V；

　　当数字电位器调节到RH=85kΩ,RL=15kΩ时，输出电压

Vo=0.45V×(1+85kΩ×15/kΩ)=3.0V。

4 升压型DC-DC变换器

　　图4所示为升压型DC-DC变换器的典型电路，通过控制器IC延长启动晶体管的时间，以增加电感器的峰值电流来达到升压目的。传输作用的计算公式为

Vo=VIN[T/(T-ton)]

式中，T为晶体管启动和关闭的周期；t(on)是晶体管启动的周期。

　　以TI公司的TPS61030型电路为例，如图5所示，该电路是效率高达96%的同步升压变换器。非常适合于1节锂离子或锂聚合物电池、2节到3节碱性电池、镍铬或镍氢电池，变换产生固定输出电压或可调输出电压，输出电压的调节通过数字电位器调节反馈引脚FB的电压获得。在输入电压最低为1.8V时，输出电压为5V，输出电流最大为1A。升压基于一个固定频率PWM控制器同步开关整流获取高效率。具有关闭电源和过热保护功能。在图5中，H为数字电位器可调电阻器的高电压端，L为数字电位器可调电阻器的低电压端，W为数字电位器滑动电压输出端。反馈引脚FB的电压典型值为500mA，最大允许输出电压为5.5V。输出电压的计算公式为Vo=0.5V×(1+RH/RL)。另外，该电路内含电压基准0.5V的电池电压比较器，输入引脚LBI的电压通过电池电压分压获得，分压电阻器R1和R2也可以采用数字电位器调节。

　　以Xicor公司的3线接口（CS、U/D、INC）、100抽头X9C104S型电路为例，它的电位器阻值为100kΩ，每次调节的电阻值为1kΩ。3线接口可设计成单片机控制或按键直接控制（外扩逻辑电路），在减小数字电位器RL的阻值时，输出电压V0会增加。由于该电路是DC-DC升压型器件，因此输出电压V0最小为输入电压VI。

5 小结

　　数字电位器的内部结构如图6所示，它用控制MSO管的开关来调节滑动端VW在VH和VL之间多个等值电阻的位置，抽头数越多，等值电阻越多。调整的范围越宽，对DC-DC变换器的输出电压调整幅度越小。

　　数字电位器的优点是调整的精确度高于机械电位器，缺点是线性度有机械电位器好。另外，机械电位器有触点，滑动端长期滑动出现接触问题。而数字电位器没有触点，因而使用寿命和可靠性优于机械电位器。