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，系统设计人员可能需要调整电源电压，从而优化它们的电平，或者通过强制产生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增加电压。

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≥10×RAB.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，如图11所示。如果反馈网络无法提供足够的带宽，则输出电压可能振荡。

图11.如果反馈电阻网络无法提供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

更简单的解决方案

ADI公司的AD5141 digiPOT克服了其他数字电位计的某些问题。 它提供：

● 非易失性256位调整

● 10 kΩ和100 kΩ电阻选项

● 8%最大电阻公差

● ±6 mA游标电流

● 35 ppm/°C温度系数

● 3 MHz带宽

● < 75