在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，電源的高效穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。開關(guān)模式電源(SMPS)因其較高的效率，在高電流應(yīng)用中得到廣泛使用。而若能夠精細(xì)調(diào)節(jié)電源的輸出電壓，將為系統(tǒng)帶來(lái)諸多益處，如移除電源路徑上的容差和壓降、驗(yàn)證系統(tǒng)限幅的運(yùn)作，或者實(shí)現(xiàn)微處理器的簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)電壓控制等。本文將深入探討利用數(shù)字電位計(jì)實(shí)現(xiàn)開關(guān)模式電源的快速、線性調(diào)節(jié)的相關(guān)內(nèi)容。

開關(guān)模式電源與線性調(diào)節(jié)器對(duì)比

在高電流系統(tǒng)中，開關(guān)模式電源調(diào)節(jié)器相比線性調(diào)節(jié)器具有顯著的效率優(yōu)勢(shì)。當(dāng)電流高于 100 μA 時(shí)，開關(guān)模式電源調(diào)節(jié)器的典型效率超過(guò) 90%。而在低壓差(LDO)調(diào)節(jié)器中，其效率取決于靜態(tài)電流(Iq)和正向壓降，靜態(tài)電流越高則效率越低，公式表示為\(L D_{EFFICIENCY }(\%)=\frac{V_{OUT } I_{OUT }}{V_{IN}(I_{OUT }+I_{q})}??100\)。目前 LDO 的靜態(tài)電流雖已相當(dāng)?shù)?，但由于其無(wú)法儲(chǔ)存大量未使用的能量，未輸送到負(fù)載的功率會(huì)以熱量形式在 LDO 內(nèi)部耗散，致使其效率典型值低于 83%。鑒于開關(guān)調(diào)節(jié)器具有較低的損耗，正在逐步取代如 ATE、FPGA 以及儀器儀表等要求高電流或動(dòng)態(tài)負(fù)載應(yīng)用中的線性調(diào)節(jié)器。

調(diào)節(jié)開關(guān)模式電源的需求

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員常常需要調(diào)節(jié)電源電壓，目的在于優(yōu)化其電平，或者在極端條件下對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行特性表征時(shí)，迫使器件偏離標(biāo)稱值。這一操作通常在在線測(cè)試(ICT)期間執(zhí)行，制造商期望確保產(chǎn)品在標(biāo)稱電源的 ±10% 范圍內(nèi)能夠正常工作。這一過(guò)程被稱為裕量調(diào)整，即有意識(shí)地在預(yù)期范圍內(nèi)改變電源電壓。而且，精細(xì)調(diào)節(jié)輸出電壓的能力還能補(bǔ)償電源路徑上的電源容差和壓降。此外，像微處理器的動(dòng)態(tài)電壓控制這類應(yīng)用，要求能夠即時(shí)改變電壓，在低功耗模式下降低電壓，在高性能模式下增加電壓。

開關(guān)模式電源工作原理

SMPS 的工作方式與 LDO 有相似之處。輸出電壓會(huì)與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，其差值關(guān)聯(lián)至脈沖寬度調(diào)制器(PWM)。PWM 將斜坡與放大器輸出進(jìn)行比較，生成 PWM 信號(hào)來(lái)控制開關(guān)，從而向負(fù)載供電。通過(guò)控制反相放大器引腳電壓，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。這一調(diào)節(jié)操作可以通過(guò)外部方式達(dá)成，例如使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)或數(shù)字電位計(jì)。部分調(diào)節(jié)器還允許利用串行接口(如 PMBUS、I2C 或 SPI)在內(nèi)部控制反饋電壓。對(duì)比這三種方法的調(diào)節(jié)能力和功耗，會(huì)發(fā)現(xiàn)某些數(shù)字電位計(jì)采用非易失性存儲(chǔ)器，這一特性使其可在測(cè)試期間編程輸出電源，相比其他兩種方式，具有易于使用的極大優(yōu)勢(shì)。

利用數(shù)字電位計(jì)調(diào)節(jié)開關(guān)模式電源

替換反饋電阻的考量

公式\(V_{OUT}=V_{FEEDBACK}(1+\frac{R_{2}}{R_{1}})\)描述了根據(jù)反饋電阻\(R_{1}\)和\(R_{2}\)的比值確定的 SMPS 輸出電壓，其中，\(V_{FEEDBACK}\)是內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。在使用數(shù)字電位計(jì)直接替換\(R_{1}\)和\(R_{2}\)之前，有一些問(wèn)題需要考慮。數(shù)字電位計(jì)內(nèi)部有兩個(gè)電阻串\(R_{AW}\)和\(R_{WB}\)，兩串電阻互補(bǔ)，\(R_{AB}\)為端到端電阻或標(biāo)稱值。以\(R_{AW}\)和\(R_{WB}\)代替\(R_{1}\)和\(R_{2}\)可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)傳遞函數(shù)，但數(shù)字碼和輸出電壓之間的非線性關(guān)系會(huì)降低低端分辨率。例如一個(gè) 16 抽頭數(shù)字電位計(jì)，這種非線性就較為明顯。

解決非線性問(wèn)題的方法

為克服數(shù)字電位計(jì)帶來(lái)的非線性問(wèn)題，有多種方法可供選擇。最常用的方法是在可變電阻模式下使用數(shù)字電位計(jì)，或者將電阻與電位計(jì)串聯(lián)。不過(guò)，由于電阻容差，將數(shù)字電位計(jì)與外部電阻一同使用時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致失配問(wèn)題。精密器件的電阻容差可能僅為 1%，但大部分?jǐn)?shù)字電位計(jì)的電阻容差卻高達(dá) 20%。為減少失配，可以采用串聯(lián) / 并聯(lián)電阻組合，但其缺點(diǎn)是會(huì)縮小動(dòng)態(tài)范圍。在可變電阻模式下，串聯(lián)電阻必須足夠高，需滿足\(R_{2}a?￥10??R_{AB}\)，才能忽略數(shù)字電位計(jì)的容差;在電位計(jì)模式下，并聯(lián)電阻必須足夠小。此外，使用串聯(lián) - 并聯(lián)組合對(duì)電位計(jì)進(jìn)行線性化的過(guò)程可能十分復(fù)雜，涉及到復(fù)雜的等效電路分析。

帶寬相關(guān)問(wèn)題及解決

開關(guān)調(diào)節(jié)器通常工作在較高頻率下(一般高于 1 MHz)，這使得其可以使用小數(shù)值外部元件。在最差情況下，它需要為動(dòng)態(tài)負(fù)載供電，因此反饋電阻網(wǎng)絡(luò)必須具備足夠的帶寬，以便精確跟蹤輸出電壓。然而，由于數(shù)字電位計(jì)存在寄生內(nèi)部開關(guān)電容，其可用作低通濾波器。若反饋網(wǎng)絡(luò)無(wú)法提供足夠的帶寬，輸出電壓可能會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。為克服這一限制，一種簡(jiǎn)單的方法是在輸出與反饋網(wǎng)絡(luò)之間并聯(lián)一個(gè)電容，以此降低高頻阻抗，并最大程度地縮短振蕩時(shí)間。

新型數(shù)字電位計(jì)的優(yōu)勢(shì) —— 以 AD5141 為例

ADI 最新的 AD5141 digiPOT 有效地克服了其他數(shù)字電位計(jì)存在的問(wèn)題。該器件的專有線性增益設(shè)置模式允許對(duì)每一個(gè)電阻串進(jìn)行單獨(dú)控制。當(dāng)使能該模式時(shí)，無(wú)需外部電阻，電阻容差也可忽略不計(jì)，并且傳遞函數(shù)總誤差僅與內(nèi)部電阻串失配有關(guān)，而內(nèi)部電阻串失配通常不足 1%。此外，每一個(gè)電阻串都有對(duì)應(yīng)的 EEPROM 位置，在上電時(shí)能夠載入每一個(gè)電阻串的獨(dú)立值。該器件還為快速反饋環(huán)路提供高達(dá) 3 MHz 的帶寬，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)快速、精確的調(diào)節(jié)具有重要意義。

結(jié)論

由于效率較高，開關(guān)模式電源調(diào)節(jié)器在高電流應(yīng)用中占據(jù)重要地位。本文詳細(xì)描述了數(shù)字控制輸出電壓的幾種方法，其中利用內(nèi)置非易失性存儲(chǔ)器的數(shù)字電位計(jì)解決方案，因在預(yù)定義輸出狀態(tài)下為系統(tǒng)上電具有內(nèi)在優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。設(shè)計(jì)人員在這一過(guò)程中，主要需要權(quán)衡提供足夠的分辨率、精度和帶寬，以獲得出色的性能。而 AD5141 digiPOT 為設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)效果不打折扣的最優(yōu)解決方案提供了可能，在未來(lái)的開關(guān)模式電源調(diào)節(jié)應(yīng)用中具有廣闊的前景，有望推動(dòng)相關(guān)電子系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升。