很多系統(tǒng)應用都必須在較窄的限幅內(nèi)調(diào)整開關(guān)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(tǒng)限幅的運作，或者實現(xiàn)微處理器的簡單動態(tài)電壓控制。此外，系統(tǒng)設計人員可能需要調(diào)整電源電壓，從而優(yōu)化它們的電平，或者通過強制產(chǎn)生非正常電平來測試系統(tǒng)在極端條件下的性能。該功能通常在在線測試（ICT）期間執(zhí)行，以滿足制造商想要保證產(chǎn)品在標稱電源的±10%范圍內(nèi)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(nèi)改變電源電壓。其他輸出變化應用，比如微處理器的動態(tài)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(guān)電源電壓控制環(huán)路的反饋網(wǎng)絡采用兩個電阻

    

將典型開關(guān)電源輸出電壓（圖1）與內(nèi)部基準電壓進行比較，可看到差別集中在脈寬調(diào)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(guān)，從而向負載供電。

 

圖2. 使用數(shù)字電位計調(diào)整DC-DC轉(zhuǎn)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(diào)整輸出電壓。這可以通過使用DAC,或者使用數(shù)字電位計，以外部方式實現(xiàn)，如圖2所示。某些電壓調(diào)節(jié)器允許使用串行接口（比如PMBus、I2C或SPI）在內(nèi)部控制反饋電壓。表1比較了三種方法的調(diào)整能力和功耗。

 

 

數(shù)字電位計（或稱digiPOT）工作方式與傳統(tǒng)電位計相似，但用電子開關(guān)和數(shù)字信號代替機械游標進行操作，如圖3所示。digiPOT將一串小數(shù)值電阻與位于每兩個電阻交叉點上的電子開關(guān)串聯(lián)。digiPOT分辨率與電阻網(wǎng)絡中的位控制節(jié)點量有關(guān)。控制節(jié)點的數(shù)量越高，分辨率越高。

 

   

圖3：顯示電子開關(guān)的64位數(shù)字電位計。同一時間只能閉合一個電子開關(guān)，該開關(guān)決定電阻比。

    

某些數(shù)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(yōu)勢。

 

    

反饋電阻R1和R2的比值決定了開關(guān)電源輸出電壓。

 

 

 

其中：

    

VFB = 內(nèi)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(shù)字電位計代替R1和R2時，需考慮一些問題。數(shù)字電位計內(nèi)部有兩個電阻串（RAW和RWB），如圖4所示。

 

 

圖4：數(shù)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(xiàn)對數(shù)傳遞函數(shù)。數(shù)字碼和輸出電壓之間的非線性關(guān)系降低了低端分辨率。圖5顯示了這個取自數(shù)字電位計的對數(shù)傳遞函數(shù)。

 

  

圖5：以數(shù)字電位計代替反饋電阻后得到的對數(shù)傳遞函數(shù)

 

 

圖6：在可變電阻模式下使用數(shù)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(shù)字電位計（如圖6所示）；或者將電阻與電位計串聯(lián)（如圖7所示）。

 

  

圖7：在電位計模式下線性化

 

    

由于電阻公差，將數(shù)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(shù)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(lián)電阻組合減少失配（如圖8和圖9所示）；其缺點是動態(tài)范圍也會縮小。

 

  

圖8：可變電阻和串聯(lián)電阻

 

  

圖9：電位計模式

    

在可變電阻模式下，串聯(lián)電阻必須足夠高，才能忽略數(shù)字電位計的公差，即R2 ≥ 10 × RAB。在電位計模式下，并聯(lián)電阻必須足夠小，即R3 ≤ RAB/10。

使用串并聯(lián)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(guān)調(diào)節(jié)器工作在較高頻率下（通常高于1 MHz），因而允許使用小數(shù)值外部元件。在最差情況下，它必須為動態(tài)負載供電，因此反饋電阻網(wǎng)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(nèi)部開關(guān)電容，數(shù)字電位計可用作低通濾波器，如圖11所示。如果反饋網(wǎng)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(wǎng)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(lián)放置在輸出與反饋網(wǎng)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(lián)電容降低高頻阻抗，最大程度地減少振蕩

   

    

ADI公司的AD5141 digiPOT克服了其他數(shù)字電位計的某些問題。它提供：

    

● 非易失性256位調(diào)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(shù)

● 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(nèi)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(shù)據(jù)。

    

低電阻公差和低標稱溫度系數(shù)簡化了開環(huán)應用和需要公差匹配的應用。

    

AD5141的主要優(yōu)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(shù)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(xiàn)線性開關(guān)電源電壓調(diào)整；另外，電阻公差也可以忽略了，同時傳遞函數(shù)總誤差僅與內(nèi)部電阻串失配有關(guān)，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(huán)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(shù)字接口設置，也可利用該接口回讀游標寄存器和EEPROM內(nèi)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(xiàn)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(shù)據(jù)大約需要18 ms；在這段時間內(nèi)，器件會鎖定并不會應答任何新命令，因而可防止出現(xiàn)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。