利用数字电位计实现开关模式电源的快速、线性调节

若能够精细调节电源的输出电压,就能够移除电源路径上的容差 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。本文探讨调节开关模式电源(SMPS)的多种方案,并提出 将带有数字电位计的开关调节器用作反馈控制元件的解决方案, 同时强调了设计问题以及解决问题的途径。最后,提出一种采用 AD5141 单通道非易失性digiPOT来解决本应用常见限制的简单方法。

在高电流系统中,开关模式电源调节器相比线性调节器具有更高 的效率,其在电流高于100 μA时的典型效率超过90%。

在低压差(LDO)调节器中,效率取决于静态电流(Iq)和正向压降,静 态电流越高则效率越低,如公式1所示。

Equation 1

目前LDO的静态电流相当低,因此如果Iq与ILOAD相比极小,则可以 忽略。然后,LDO效率只需等于 (VOUT/VIN) × 100。LDO无法储存大量 未使用的能量,因此未输送到负载的功率以热量形式在LDO内部 耗散。LDO效率典型值为低于83%。

由于开关调节器具有较低的损耗,因而正在逐步取代ATE、FPGA 以及仪器仪表等要求高电流或动态负载应用中的线性调节器。

系统设计人员经常需要调节电源电压,从而优化其电平或者在极 端条件下对系统性能进行特性表征时迫使器件偏离标称值。该功 能通常在在线测试(ICT)期间执行,而制造商希望保证产品在标称 电源的±10%范围内正常工作(举例而言)。

这一步骤称为裕量调整,即有意识地在预期范围内改变电源电 压。此外,精细调节输出电压的能力使其可以补偿电源路径上的 电源容差和压降。

其他应用,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。

SMPS工作方式与LDO类似,如图1所示。输出电压与内部基准电 压相比较,其差值关联至脉冲宽度调制器。

图1. SMPS压控环路

脉冲宽度调制器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。

控制反相放大器引脚电压,便可调节输出电压。

这可以通过外部方式实现,比如使用DAC或数字电位计。某些调 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比较了全部三种方法的调节能力和功耗。

表1. 基准分析小结——可调节SMPS
方法 粗调 微调 供电轨 典型功耗
DAC VMIN < 2.5 V >100 µA
digiPOT VMIN < 2.3 V <20 µA
内部寄存器 不适用

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

公式2描述了根据反馈电阻R1和R2的比值而确定的SMPS输出电压:

Equation 2

其中,VFEEDBACK是内部基准电压。

使用数字电位计直接替换R1和R2前,需考虑一些问题。 数字电位计内部有两个电阻串RAW和RWB

两串电阻互补。

Equation 3

其中,RAB是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2显示了一个16抽头数字电位计示例。

图2. 对数传递函数

有多种方法可以克服这个问题;最常用的方法是在可变电阻模式下使用数字电位计,或者将电阻与电位计串联。

最小化容差

由于电阻容差,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%的电阻容差,但大部分数字电位计只能达到20%的电阻容差。

这种情况下,可通过串联/并联电阻组合减少失配,如图3和图4所示;其缺点是动态范围也会缩小。

图3. 可变电阻和串联电阻

图4. 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容差,即R2 ≥ 10 × RAB。在电位计模式下,并联电阻必须足够小,即 Equation A.

使用串联-并联组合对电位计进行线性化可能十分复杂,如图5中的等效电路所示。

图5. 最终 Y-∆ 变换

其中:

Equation 4

Equation 5

Equation 6

Equation 7

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。

增加带宽

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。

如果反馈网络无法提供足够的带宽,则输出电压可能振荡,如图6所示。

图6. 分立式反馈电阻与数字电位计的关系(带宽受限)

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7所示),以便降低高频阻抗,并最大程度地缩短振荡时间。

图7. 并联电容降低高频阻抗,最大程度地减少振荡

更为简单但效果不打折扣的解决方案

ADI最新的AD5141 digiPOT克服了其他数字电位计的问题。该器件的专有线性增益设置模式允许对每一个电阻串进行单独控制,从而:

Equation 8

如果使能该模式,则无需外部电阻。电阻容差也可以忽略不计,同时传递函数总误差仅与内部电阻串失配有关,而后者通常不足1%。

每一个电阻串都有一个对应的EEPROM位置,因此上电时可载入每一个电阻串的独立值。此外,器件还为快速反馈环路提供高达3 MHz的带宽,如图8所示。

图8. 线性增益设置模式下的AD5141 (10 kΩ) 版本

结论

由于效率较高,开关模式电源调节器通常用于高电流应用中。 本文描述了数字控制输出电压的几种方法。

由于在预定义输出状态下为系统上电具有内在优势,因而可使用内置非易失性存储器的数字电位计解决方案。设计人员所面临的主要权衡取舍包括提供足够的分辨率、精度和带宽,以便获得出色的性能。AD5141 digiPOT可让设计人员实现效果不打折扣的最优解决方案。

作者

Miguel-Usach

Miguel Usach Merino

Miguel Usach Merino获瓦伦西亚大学电子工程学位。2008年加入ADI公司,任爱尔兰利默里克精密DAC部的应用工程师。