利用数字电位计实现开关模式电源的快速、线性调节

在现代电子系统中，电源的高效稳定运行至关重要。开关模式电源(SMPS)因其较高的效率，在高电流应用中得到广泛使用。而若能够精细调节电源的输出电压，将为系统带来诸多益处，如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等。本文将深入探讨利用数字电位计实现开关模式电源的快速、线性调节的相关内容。

开关模式电源与线性调节器对比

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显著的效率优势。当电流高于 100 μA 时，开关模式电源调节器的典型效率超过 90%。而在低压差(LDO)调节器中，其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，公式表示为\(L D_{EFFICIENCY }(\%)=\frac{V_{OUT } I_{OUT }}{V_{IN}(I_{OUT }+I_{q})}×100\)。目前 LDO 的静态电流虽已相当低，但由于其无法储存大量未使用的能量，未输送到负载的功率会以热量形式在 LDO 内部耗散，致使其效率典型值低于 83%。鉴于开关调节器具有较低的损耗，正在逐步取代如 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。

调节开关模式电源的需求

系统设计人员常常需要调节电源电压，目的在于优化其电平，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。这一操作通常在在线测试(ICT)期间执行，制造商期望确保产品在标称电源的 ±10% 范围内能够正常工作。这一过程被称为裕量调整，即有意识地在预期范围内改变电源电压。而且，精细调节输出电压的能力还能补偿电源路径上的电源容差和压降。此外，像微处理器的动态电压控制这类应用，要求能够即时改变电压，在低功耗模式下降低电压，在高性能模式下增加电压。

开关模式电源工作原理

SMPS 的工作方式与 LDO 有相似之处。输出电压会与内部基准电压进行比较，其差值关联至脉冲宽度调制器(PWM)。PWM 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。通过控制反相放大器引脚电压，便可实现对输出电压的调节。这一调节操作可以通过外部方式达成，例如使用数模转换器(DAC)或数字电位计。部分调节器还允许利用串行接口(如 PMBUS、I²C 或 SPI)在内部控制反馈电压。对比这三种方法的调节能力和功耗，会发现某些数字电位计采用非易失性存储器，这一特性使其可在测试期间编程输出电源，相比其他两种方式，具有易于使用的极大优势。

利用数字电位计调节开关模式电源

替换反馈电阻的考量

公式\(V_{OUT}=V_{FEEDBACK}(1+\frac{R_{2}}{R_{1}})\)描述了根据反馈电阻\(R_{1}\)和\(R_{2}\)的比值确定的 SMPS 输出电压，其中，\(V_{FEEDBACK}\)是内部基准电压。在使用数字电位计直接替换\(R_{1}\)和\(R_{2}\)之前，有一些问题需要考虑。数字电位计内部有两个电阻串\(R_{AW}\)和\(R_{WB}\)，两串电阻互补，\(R_{AB}\)为端到端电阻或标称值。以\(R_{AW}\)和\(R_{WB}\)代替\(R_{1}\)和\(R_{2}\)可实现对数传递函数，但数字码和输出电压之间的非线性关系会降低低端分辨率。例如一个 16 抽头数字电位计，这种非线性就较为明显。

解决非线性问题的方法

为克服数字电位计带来的非线性问题，有多种方法可供选择。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。不过，由于电阻容差，将数字电位计与外部电阻一同使用时可能会导致失配问题。精密器件的电阻容差可能仅为 1%，但大部分数字电位计的电阻容差却高达 20%。为减少失配，可以采用串联 / 并联电阻组合，但其缺点是会缩小动态范围。在可变电阻模式下，串联电阻必须足够高，需满足\(R_{2}≥10×R_{AB}\)，才能忽略数字电位计的容差;在电位计模式下，并联电阻必须足够小。此外，使用串联 - 并联组合对电位计进行线性化的过程可能十分复杂，涉及到复杂的等效电路分析。

带宽相关问题及解决

开关调节器通常工作在较高频率下(一般高于 1 MHz)，这使得其可以使用小数值外部元件。在最差情况下，它需要为动态负载供电，因此反馈电阻网络必须具备足够的带宽，以便精确跟踪输出电压。然而，由于数字电位计存在寄生内部开关电容，其可用作低通滤波器。若反馈网络无法提供足够的带宽，输出电压可能会出现振荡现象。为克服这一限制，一种简单的方法是在输出与反馈网络之间并联一个电容，以此降低高频阻抗，并最大程度地缩短振荡时间。

新型数字电位计的优势 —— 以 AD5141 为例

ADI 最新的 AD5141 digiPOT 有效地克服了其他数字电位计存在的问题。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。当使能该模式时，无需外部电阻，电阻容差也可忽略不计，并且传递函数总误差仅与内部电阻串失配有关，而内部电阻串失配通常不足 1%。此外，每一个电阻串都有对应的 EEPROM 位置，在上电时能够载入每一个电阻串的独立值。该器件还为快速反馈环路提供高达 3 MHz 的带宽，这对于实现快速、精确的调节具有重要意义。

结论

由于效率较高，开关模式电源调节器在高电流应用中占据重要地位。本文详细描述了数字控制输出电压的几种方法，其中利用内置非易失性存储器的数字电位计解决方案，因在预定义输出状态下为系统上电具有内在优势而备受关注。设计人员在这一过程中，主要需要权衡提供足够的分辨率、精度和带宽，以获得出色的性能。而 AD5141 digiPOT 为设计人员实现效果不打折扣的最优解决方案提供了可能，在未来的开关模式电源调节应用中具有广阔的前景，有望推动相关电子系统性能的进一步提升。