使用數(shù)字電位計(jì)校準(zhǔn)電源

電阻反饋網(wǎng)絡(luò)通常用于設(shè)置電源的輸出電壓。機(jī)械電位器（電位器）方便地解決了調(diào)節(jié)電源的問題。為了便于自動(dòng)校準(zhǔn)，可以用數(shù)字電位器代替機(jī)械電位器。本應(yīng)用筆記介紹了一種使用數(shù)字電位器的校準(zhǔn)解決方案，因?yàn)閿?shù)字電位器更小，不會(huì)隨著年齡或振動(dòng)而移動(dòng)，并且可以遠(yuǎn)程重新校準(zhǔn)。該解決方案降低了系統(tǒng)對(duì)數(shù)字電位器端到端電阻容差的敏感性，使該解決方案成為設(shè)計(jì)人員的最佳選擇。本應(yīng)用筆記還解釋了計(jì)算電阻鏈值和以這種方式使用數(shù)字電位器所需的一些公式。提供具有標(biāo)準(zhǔn) reisistor 值的電子表格，以便于計(jì)算。

介紹

電阻反饋網(wǎng)絡(luò)通常用于設(shè)置電源的輸出電壓，因?yàn)楣潭娮杵饕子谑褂们页杀镜?。但是，由于固定網(wǎng)絡(luò)不可調(diào)，因此無法準(zhǔn)確設(shè)置輸出電壓。因此，許多電源在反饋網(wǎng)絡(luò)中使用機(jī)械電位器（電位器）來設(shè)置輸出電壓。為了便于自動(dòng)校準(zhǔn)，可以用數(shù)字電位計(jì)代替機(jī)械電位計(jì)。數(shù)字電位計(jì)更小，不會(huì)隨著年齡或振動(dòng)而顯著移動(dòng)，甚至可以遠(yuǎn)程重新校準(zhǔn)。本應(yīng)用筆記解釋了以這種方式使用數(shù)字電位器所需的一些計(jì)算，并提供了一個(gè)電子表格，以便于計(jì)算。

常規(guī)電源反饋

電源通常使用阻性反饋來設(shè)置輸出電平。然而，由于器件容差很多，都會(huì)影響輸出電壓，因此固定電阻分壓器通常是不夠的。在這些情況下，使用可變電阻比，以便在最終測(cè)試中校準(zhǔn)系統(tǒng)。

雖然傳統(tǒng)上會(huì)使用機(jī)械電位計(jì)，但在許多應(yīng)用中，這些元件已被數(shù)字電位計(jì)所取代。數(shù)字電位器不會(huì)受到明顯的老化影響，并且在最終測(cè)試中自動(dòng)調(diào)整要簡(jiǎn)單得多。

固定電阻和機(jī)械電位計(jì)方案如圖1和圖2所示。

圖1.傳統(tǒng)的固定電阻反饋。

圖2.傳統(tǒng)的可變電阻反饋。

以具有2.5V基準(zhǔn)電壓的12V電源的典型示例為例。基準(zhǔn)電壓和系統(tǒng)中的所有其他器件將具有容差。方便的是，所有公差都可以表示為基準(zhǔn)上的附加公差。在本例中，我們將使用 ±5% 的典型總公差作為參考。

計(jì)算固定電阻反饋的值基于一個(gè)簡(jiǎn)單的公式：

（公式1）

由于在此示例中，VR將具有 ±5% 的容差，這導(dǎo)致輸出電壓的容差為 5%。如果這在應(yīng)用中不可接受，則需要使電阻分壓器可變。通常不會(huì)用機(jī)械電位計(jì)代替R1和R2，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致輸出電壓范圍很寬，并且對(duì)調(diào)整非常敏感。隨著時(shí)間的推移和溫度，電位器位置的任何漂移都會(huì)產(chǎn)生不可接受的輸出電壓漂移。因此，圖2展示了一種減小輸出范圍的方案，現(xiàn)在更容易調(diào)整，也更穩(wěn)定。

假設(shè)，我們應(yīng)該能夠用數(shù)字電位器代替R2，并且我們應(yīng)該有一個(gè)電動(dòng)可調(diào)系統(tǒng)。然而，事情并沒有那么簡(jiǎn)單。首先，需要對(duì)數(shù)字電位器進(jìn)行一些解釋。

數(shù)字電位器的基本結(jié)構(gòu)

圖3.典型的數(shù)字電位計(jì)結(jié)構(gòu)。

數(shù)字電位器通常是一串電阻，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)開關(guān)，如圖3所示。為簡(jiǎn)單起見，這些開關(guān)顯示為單個(gè)MOSFET。通常，這些開關(guān)將是兩個(gè)BiCMOS晶體管（一個(gè)“P”和一個(gè)“N”），以產(chǎn)生低導(dǎo)通電阻。

這種結(jié)構(gòu)通常用于多達(dá) 256 個(gè)水龍頭的鍋。當(dāng)電位器高于 256 個(gè)抽頭時(shí)，使用更復(fù)雜的分段結(jié)構(gòu)可能更有效。但是，這超出了本應(yīng)用說明的范圍。

由于所有電阻器都在同一芯片上制造，因此它們將非常緊密地匹配。不幸的是，端到端電阻可能沒有那么明確定義。典型的數(shù)字電位器是MAX5402，這是一款單通道、256抽頭器件，端到端電阻為10kΩ （典型值）。然而，端到端電阻容差為±20%。在比率學(xué)上，它的定義要好得多，積分非線性（INL）為0.5 LSB（最大值）。因此，它非常適合用作電位分隔器。

使用數(shù)字電位器校準(zhǔn)電源

圖4.初始電阻串。

圖5.最終電阻串。

電阻值R1、R2和R3的計(jì)算方法如圖4所示。我們將使用以下示例：

VO= 12V
VR= 2.5V ±5%
RT= R1 + R2 + R3

初始方程很簡(jiǎn)單，定義如下：

（公式2）

（公式3）

第一步是定義 R 的總電阻T，使用 （R1 + R2 + R3）。由于這是任意的，我們將從 R 開始T= 20kΩ。（如果需要，我們以后可以隨時(shí)更改它，以便為 R1、R2 和 R3 提供更真實(shí)的值。從公式2中，我們發(fā)現(xiàn)R3 = 3.598kΩ。根據(jù)公式3，R2 = 417Ω，從公式4，R1 = 15.625kΩ。

顯然，計(jì)算出的理想電阻值通常不可用，因此需要使用標(biāo)準(zhǔn)電阻值。最接近的1%值替換為R1和R3：R1 = 15.8kΩ，R3 = 3.92kΩ。（為方便起見，我們?cè)陔娮颖砀裰邪藰?biāo)準(zhǔn)電阻值圖表。

現(xiàn)在我們可以向后計(jì)算以找到R2的理想值，如公式5所示。R2 最終將變?yōu)榭勺冎?。因此，?jì)算其值，以便 VO當(dāng) R2 傾斜且 V 傾斜時(shí)將是正確的R是其標(biāo)稱值。

（公式5）

因此，R2 = 646Ω。

我們需要考慮到這樣一個(gè)事實(shí)，即數(shù)字電位器的端到端容差非常差。將大值數(shù)字電位器與小值固定電阻并聯(lián)是降低電位器端到端容差差影響的簡(jiǎn)單方法。如圖 5 所示。因此，R2的并聯(lián)組合一個(gè)和 RP生成 R2。

使用公式6，最后一步是計(jì)算并聯(lián)固定電阻的值，給定一個(gè)電位計(jì)標(biāo)稱端到端電阻。

（公式6）

因此，使用10kΩ電位器進(jìn)行RP，R2 的理想值一個(gè)為690Ω。最接近的1%值為698Ω。如果我們計(jì)算這個(gè)和數(shù)字電位器在其公差極值下的并聯(lián)組合，我們得到R最低= 642Ω 和 R.MAX= 660Ω.由于鍋的端到端公差為20%，因此公差僅為1%。我們使用698Ω電阻作為R2一個(gè)，因?yàn)檫@是最接近的標(biāo)準(zhǔn) 1% 值。

最終計(jì)算證實(shí)，使用實(shí)際值時(shí)，數(shù)字電位器可以覆蓋基準(zhǔn)電壓源容差所需的5%范圍。我們可以使用星三角變換，如圖 6 所示。我們顯然不需要計(jì)算 R6。

圖6.使用星三角變換。

（公式7）

其中 N 是抽頭位置，NMAX 是最大抽頭位置。

（公式8）

（公式9）

（公式10）

（公式11）

使用這些公式，我們確認(rèn)電位器的范圍將涵蓋參考的公差范圍。

要匯總要求和所選組件值，請(qǐng)執(zhí)行以下操作：

VO= 12V （輸出電壓）
VR= 2.5V ±5% （基準(zhǔn)電壓） R1 = 15.8kΩ （上部電阻）
R1 = 15.8kΩ (upper resistor)
R2一個(gè)= 698Ω （并聯(lián)電阻）
RP= 10kΩ （數(shù)字電位計(jì)） R3 = 3.92kΩ （下電阻）
R3 = 3.92kΩ (lower resistor)

以下抽頭點(diǎn)將所需的輸出電壓設(shè)置在基準(zhǔn)容差的極端值。

VR= 2.375V， 抽頭 = 44， VO= 11.99842V
VR= 2.625V，抽頭 = 210，VO= 11.99773V

可以進(jìn)一步優(yōu)化以降低輸出電壓階躍。但是，電位計(jì)在兩端確實(shí)有一些開銷，以考慮任何進(jìn)一步的容差。

總結(jié)

本應(yīng)用筆記討論了調(diào)整電源的問題，以及如何使用機(jī)械電位器解決這個(gè)問題。此外，本文還介紹了使用數(shù)字電位器的校準(zhǔn)解決方案，因?yàn)閿?shù)字電位器更小，不會(huì)隨著年齡或振動(dòng)而移動(dòng)，并且可以遠(yuǎn)程重新校準(zhǔn)。該解決方案還降低了數(shù)字電位計(jì)端到端電阻的容差，使該解決方案成為設(shè)計(jì)人員的最佳選擇。開發(fā)了計(jì)算電阻鏈值所需的公式，并提供了包含標(biāo)準(zhǔn)電阻值圖表的電子表格。

審核編輯：郭婷