很多系統應用都必須在較窄的限幅內調整開關電源(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，或者實現微處理器的簡單動態電壓控制。此外，系統設計人員可能需要調整電源電壓，從而優化它們的電平，或者通過強制產生非正常電平來測試系統在極端條件下的性能。該功能通常在在線測試(ICT)期間執行，以滿足制造商想要保證產品在標稱電源的±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，比如微處理器的動態電壓控制，必須能即時改變電壓，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.開關電源電壓控制環路的反饋網絡采用兩個電阻
將典型開關電源輸出電壓(圖1)與內部基準電壓進行比較，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行比較，生成PWM信號來控制開關，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。這可以通過使用DAC，或者使用數字電位計，以外部方式實現，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digiPOT)工作方式與傳統電位計相似，但用電子開關和數字信號代替機械游標進行操作，如圖3所示。digiPOT將一串小數值電阻與位于每兩個電阻交叉點上的電子開關串聯。digiPOT分辨率與電阻網絡中的位控制節點量有關。控制節點的數量越高，分辨率越高。
圖3.顯示電子開關的64位數字電位計。同一時間只能閉合一個電子開關，該開關決定電阻比。
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勢。
線性化傳遞函數
反饋電阻R1和R2的比值決定了開關電源輸出電壓。
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，需考慮一些問題。數字電位計內部有兩個電阻串(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 =端到端電阻或標稱值
以RAW和RWB代替R1和R2可實現對數傳遞函數。數字碼和輸出電壓之間的非線性關系降低了低端分辨率。圖5顯示了這個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(如圖7所示)。
圖7.在電位計模式下線性化
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，可通過串并聯電阻組合減少失配(如圖8和圖9所示);其缺點是動態范圍也會縮小。
圖8.可變電阻和串聯電阻
圖9.電位計模式
在可變電阻模式下，串聯電阻必須足夠高，才能忽略數字電位計的公差，即R2≥10×RAB.在電位計模式下，并聯電阻必須足夠小，即R3≤RAB/10.
使用串并聯組合對電位計進行線性化可能十分復雜，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。
開關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，它必須為動態負載供電，因此反饋電阻網絡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關電容，數字電位計可用作低通濾波器，如圖11所示。如果反饋網絡無法提供足夠的帶寬，則輸出電壓可能振蕩。
圖11.如果反饋電阻網絡無法提供足夠的帶寬來精確跟蹤輸出電壓，則雜散電容導致的寄生效應可能帶來麻煩。
克服這一限制的一種簡單方法，是將一個電容并聯放置在輸出與反饋網絡之間(如圖12所示)，以便降低高頻阻抗，并最大程度地縮短振蕩時間。
圖12.并聯電容降低高頻阻抗，最大程度地減少振蕩
更簡單的解決方案
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啟動時間
● 線性增益設置模式
● 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溫度系數簡化了開環應用和需要公差匹配的應用。
AD5141的主要優勢是采用了最新的專利功能，稱為“線性增益設置模式”。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，則無需通過外部電阻實現線性開關電源電壓調整;另外，電阻公差也可以忽略了，同時傳遞函數總誤差僅與內部電阻串失配有關，而后者通常不足1%，并具有低溫漂特性。
每一個電阻串都有一個對應的EEPROM位置，因此上電時可載入每一個電阻串的獨立值。此外，器件還為快速反饋環路提供了高達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，允許進行引腳到引腳連接。
游標電阻值可通過一個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引腳便可通過硬件來加以選擇)設置任意位，實現針對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。 以后上電時游標位置始終會恢復到該位置。存儲EEPROM數據大約需要18 ms;在這段時間內，器件會鎖定并不會應答任何新命令，因而可防止出現任何更改。快速啟動時間(<75 μS)保證了完成電源序列后可快速刷新寄存器。 |
