很多系統(tǒng)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(tǒng)限幅的運作，或者實現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整電源電壓，從而優(yōu)化它們的電平，或者通過強制產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(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. 開關電源電壓控制環(huán)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(jié)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(tǒng)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(jié)點量有關?？刂乒?jié)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(yōu)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(tài)范圍也會縮小。

　　圖8. 可變電阻和串聯電阻[!--empirenews.page--]

　　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(jié)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(tài)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(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(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?？焖賳訒r間(<75 μS)保證了完成電源序列后可快速刷新寄存器。