使用按鈕式數位電位器的可調電壓輸出設計

作者:ADI 現場應用工程師Thomas Brand

問題:

如何使用數位電位器來產生可調電壓輸出?

RAQ: Issue 180

答案:

可使用按鈕式數位電位器。

本文介紹一款利用按鈕式數位電位器以簡單高效地控制高達20 V電壓的完整解決方案。這款完整的解決方案提供一種可調電源,可用於需要可調電壓輸出的各種應用。圖1顯示具有可變輸出功率的相應開關穩壓器,使用AD5116數位電位器和具有整合式推挽輸出級的 ADCMP371 比較器。透過添加開關而非按鈕,可以運用微控制器來調節電壓。

AD5116具有64個可用的游標位置,端對端電阻容差為±8%。此外,AD5116包含一個EEPROM來儲存游標位置,可透過按鈕手動來進行設定。對於需要固定標準上電電壓的應用而言,這個功能非常實用。

該電路由電壓VIN供電,最高可達20 V。AD5116和ADCMP371的電源電壓VDD也可由VIN生成,例如,透過 ADP121等穩壓器。

Figure 1. A push-button-controlled high voltage switching regulator with variable output.
圖1.具備可變輸出、透過按鈕控制的高壓開關穩壓器。

電路工作原理

輸出電壓VOUT透過回饋網路的開關頻率控制。透過分壓器回饋到比較器,然後與數位電位器設定的基準電壓進行比較。如果從VOUT獲取的電壓高於基準電壓,那麼比較器輸出將切換到低電平,以阻隔NMOS電晶體T1和PMOS電晶體T2,從而降低VOUT。如果從VOUT獲取的電壓低於基準電壓,比較器輸出將切換至高電平,兩個電晶體切換到導通狀態(飽和),從而增加VOUT。透過這種基於比較的功能,電晶體在開啟/關斷模式下以短脈衝工作,使各電晶體保持低損耗。除電位器的輸出電壓外,開關頻率還受VOUT的負載影響。

隨著數位類比轉換器(DAC)輸出電壓增高,T2關斷的時間變長,比較器輸出相對增高。比較器輸出提供一系列更高頻率、速度更快的正電源輸出脈衝。如果DAC輸出電壓降低,則情況相反。

經過濾波的VOUT透過公式1確定。

Equation 1

VW為電位器抽頭W處的DAC輸出電壓。

AD5116的A抽頭和B抽頭之間的電阻標稱值為5 kΩ,劃分為64級階躍。在量程的較低端,典型游標電阻RW降至45 Ω到70 Ω之間。相對於GND的VW輸出電壓為:

Equation 2

其中RWB為:

Equation 3

RWB是抽頭W和較低端的GND之間的電阻值。

RAB 為電位器的總電阻。

VA 為分壓器串頂端的電壓;在本例中,它等於VDD

D為AD5116的RDAC暫存器中二進位碼的十進位等效值。

AD5116的RDAC暫存器透過按鈕PD和PU進行控制。Default的上電位置(例如VOUT = 0 V)可以透過ASE針腳儲存在電位器的EEPROM中。

濾波器輸出:減少漣波

為了獲得平穩的輸出電壓VOUT並減少開關T1和T2導致的漣波,需要使用額外的濾波器電路(參見圖2)。在設計此濾波器時,需考慮AD5116的最大和最小開關頻率,以及其工作電壓範圍。

對於圖2所示的電路,開關頻率範圍約為1.8 Hz至500 Hz。因為這個值相當低,所以在確定濾波器的截止頻率時,通常需要使用更大的R、L和C值。但是,濾波器的串聯電阻和輸出負載構成了一個分壓器,會降低輸出電壓。所以,在選擇R值時,應選擇相對較低的值。

Figure 2. Filter circuit for smoothing the output voltage.
圖2.用於使輸出電壓平穩的濾波器電路

該電路採用了一個簡單的RLC低通濾波器。R和C分別為50 Ω和330 μF,L為100 nH。該電路在構建時,也可以選擇使用脈寬調變器(PWM)來驅動電晶體和上游的誤差放大器。

參考資料

CN-0405:具備按鈕控制的高壓輸出DAC。ADI,2017年3月。