在可調(diào)降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中使用數(shù)字電位器

本應(yīng)用筆記介紹如何使用數(shù)字電位器，利用MAX1776降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生可調(diào)電壓電源。圖中顯示了采用DS3903的參考設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)能夠產(chǎn)生1.25V至5.50V的穩(wěn)壓電源，電位器允許將電源校準(zhǔn)至所需電壓電平的1.8%以內(nèi)。根據(jù)MAX1776使用的限流設(shè)置，該設(shè)計(jì)能夠提供高達(dá)600mA的電流。

介紹

DS3903是這類應(yīng)用的理想器件，因?yàn)殡娢黄?a target="_blank">端子允許的電壓為0V至5.5V，與DS3903的電源電壓無(wú)關(guān)。這樣就可以將DS3903設(shè)計(jì)到MAX1776的反饋環(huán)路中，而不保證DS3903的電源電平始終大于產(chǎn)生的輸出電壓。此外，DS3903在整個(gè)溫度范圍內(nèi)用作分壓器時(shí)具有30PPM/°C的穩(wěn)定性，可將溫度對(duì)電路性能的影響降至最低。為了進(jìn)一步了解數(shù)字電位計(jì)在電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，AN226討論了使用帶有升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的數(shù)字電位計(jì)。

使用數(shù)字電位計(jì)的優(yōu)勢(shì)

使用數(shù)字電位計(jì)創(chuàng)建可調(diào)電源的主要好處是，它們?cè)试S校準(zhǔn)過(guò)程的自動(dòng)化。對(duì)于2線和3線數(shù)字電位計(jì)尤其如此，因?yàn)樗鼈兊臄?shù)字接口易于計(jì)算機(jī)控制。當(dāng)連接到測(cè)試/測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，這允許校準(zhǔn)電壓電源，而無(wú)需在電壓電源電路的生產(chǎn)中引入勞動(dòng)密集型過(guò)程。在此類應(yīng)用中使用數(shù)字電位計(jì)的其他好處包括：非易失性（NV）位置設(shè)置;外形小巧;每個(gè)封裝幾個(gè)電位計(jì);低比例溫度系數(shù);最后但并非最不重要的一點(diǎn)是，它們相對(duì)便宜。

DS3909與MAX1776配合使用

為了產(chǎn)生可調(diào)電源，數(shù)字電位計(jì)用于設(shè)置輸出電壓V的比率外，至MAX1776的反饋電壓，VFB.這是通過(guò)將輸出電壓連接到電位計(jì)的高端端子（H）、低端端子（L）連接到地以及游標(biāo)輸出（W）連接到反饋引腳FB來(lái)完成的，見(jiàn)圖1。

圖1.在反饋環(huán)路中使用數(shù)字電位器，MAX1776

輸出電壓將通過(guò)調(diào)整電位器的位置來(lái)設(shè)置，這將使MAX1776升高或降低輸出電壓，直到VFB最終保持在V的指定范圍內(nèi)FB用于MAX1776。輸出電壓在公式1中顯示為電阻的函數(shù)，其中V外為輸出電壓，RL是從雨刮器到地面的電阻，R電子電氣是數(shù)字電位器的端到端電阻。

等式2和等式3顯示R電子電氣和 RL作為 ΔR 和 P 的函數(shù)，其中 ΔR 是每個(gè)位置的增量電阻增加，P 是當(dāng)前位置設(shè)置，常數(shù)/P 是給定數(shù)字電位計(jì)的總數(shù)。DS3903的電位器各有128個(gè)位置。

等式4是將等式2和3代入等式1，然后求解V的結(jié)果外并簡(jiǎn)化表達(dá)式。等式 5 是等式 4，假設(shè) VFBMAX1776在標(biāo)稱值為1.25V時(shí)保持恒定，使用具有3903位的DS128。

圖2所示電路為簡(jiǎn)單電路，允許DS3903工作在MAX1776的輸入電壓（V在= 4.5V至24.0V），并提供調(diào)節(jié)輸出所需的反饋。使DS3903能夠在該電路中工作的關(guān)鍵因素是：

DS3903的寬V電壓抄送電源范圍 （2.7V 至 5.5V） 允許其使用齊納二極管來(lái)調(diào)節(jié)其 V抄送供應(yīng)。DS3903的電源電壓隨V變化范圍約為2.7V至4.3V在范圍為4.5V至24V。

只要DS3903上電，DS0的電位器信號(hào)就可以工作在5V至5.3903V，與DS3903的V無(wú)關(guān)。抄送供應(yīng)水平。大多數(shù)數(shù)字電位計(jì)要求電位計(jì)端子保持在0V和V之間抄送.這就要求MAX1776的輸出電壓低于數(shù)字電位器的電源電壓。由于DS3903沒(méi)有這一要求，因此在這類應(yīng)用中提供了更大的靈活性。

SDA和SCL上拉電阻（R1和R2）采用與DS3903相同的電源供電（VDS3903），這也確保了該器件能夠在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)工作。如果DS3903與2線總線斷開(kāi)連接，上拉電阻應(yīng)保持連接到SDA和SCL，以防止它們浮空低電平。

DS3903是NV的，所以一旦它被用來(lái)校準(zhǔn)電源，它就會(huì)記住它的設(shè)置，直到將來(lái)改變，即使電路斷電也是如此。

圖2.使用DS3903和MAX1776

MAX1776所示的無(wú)源元件應(yīng)根據(jù)MAX2數(shù)據(jù)資料表3所示的推薦元件選擇指南，根據(jù)所需的限流輸入ILIM和ILIM1776進(jìn)行選擇。本應(yīng)用筆記所示值與本表所示電路3相對(duì)應(yīng)。該電路能夠提供 150mA 直流電流，峰值電感電流為 300mA。如引言中所述，其他電路配置可提供高達(dá)600mA的電流。

電源電壓精度、精度和溫度性能

通常用于確定應(yīng)用中電壓電源性能的三個(gè)參數(shù)是其精度、精密度和溫度性能。本節(jié)介紹確定數(shù)字電位計(jì)的積分和差分非線性及其溫度性能如何影響電壓電源設(shè)置輸出電壓、校準(zhǔn)輸出電壓和在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持輸出電壓的能力所需的一些分析。這些技術(shù)可用于分析將任何數(shù)字電位計(jì)放入類似的DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的影響。

供應(yīng)精度

電源精度定義為使用公式5計(jì)算數(shù)字電位計(jì)位置，將電源設(shè)置為特定電壓時(shí)可以預(yù)期的誤差。公式5假設(shè)MAX1776具有典型反饋電壓（VFB= 1.25V）和DS3903電位器的理想積分非線性（INL）特性。實(shí)際上，MAX1776的反饋電壓為±3%，DS3903的INL數(shù)據(jù)資料值為±1 LSB。因?yàn)檩敵鲭妷河沙艘訴決定FB乘以電位計(jì)的 1/比率，與 INL 相關(guān)的任何誤差乘以 V 的比率外/VFB也。圖3所示為輸出精度與所需輸出電壓的函數(shù)關(guān)系，使用最差情況和典型情況（基于DS3903數(shù)據(jù)資料中的典型工作特性）INL電位器型號(hào)。該曲線是使用公式4和最壞情況V計(jì)算的FB（下限和上限分別為1.212V或1.288V）和RL調(diào)整±1 LSB或典型的INL值±0.090 LSB。在大多數(shù)情況下，輸出電壓的精度并不重要，因?yàn)殡娢挥?jì)的精度會(huì)影響校準(zhǔn)后的電源精度。

圖3.輸出電壓精度與所需輸出電壓的函數(shù)關(guān)系。

供應(yīng)精度

電源精度決定了可用于將電源校準(zhǔn)到所需輸出電壓的分辨率。分析電源精度，VFB假設(shè)給定器件為常數(shù)，并評(píng)估數(shù)字電位計(jì)的離散步進(jìn)（包括差分非線性（DNL））引起的量化誤差。必須假設(shè)最壞情況或典型DNL將始終影響有關(guān)所需電壓的離散步進(jìn)。圖4顯示了DNL對(duì)電源精度的影響。

為了計(jì)算電源精度，使用公式1，RL將進(jìn)行調(diào)整以考慮DNL，例如 那 RL± DNL 會(huì)導(dǎo)致量化間隔增加。校準(zhǔn)誤差是量化間隔的 5/2。圖<>顯示了示例電路（圖<>）最壞情況下校準(zhǔn)誤差與輸出電壓的關(guān)系。

圖 4a.考慮量化誤差和DNL分析電源精度。

圖 4b.考慮量化誤差和DNL分析電源精度。

圖5.電源精度引起的校準(zhǔn)誤差與所需輸出電壓的函數(shù)關(guān)系。

溫度性能

在這種類型的反饋環(huán)路中使用數(shù)字電位器的優(yōu)點(diǎn)之一是，當(dāng)數(shù)字電位計(jì)用作分壓器時(shí)，它們?cè)谡麄€(gè)溫度范圍內(nèi)具有非常好的性能。這是構(gòu)成數(shù)字電位計(jì)中電阻元件的材料在單個(gè)芯片內(nèi)匹配的直接結(jié)果?？粗?V輸出精度與溫度的關(guān)系 典型性能曲線 在MAX1776的數(shù)據(jù)資料中，它在-1°C至+1°C溫度范圍內(nèi)偏移約-0.7%至+40.85%。當(dāng)用作分壓器時(shí)，達(dá)拉斯半導(dǎo)體的大多數(shù)數(shù)字電位計(jì)都能提供±30PPM/°C的溫度穩(wěn)定性。如果分析最壞情況，DS3903只會(huì)給電路的溫度性能增加0.2%（30PPM/°C x （25°C - （-40°C）） = 1950PPM = 0.195%）誤差。通常，DS3903的分壓器溫度系數(shù)約為15PPM/°C，因此這種效應(yīng)通常只會(huì)導(dǎo)致輸出電壓發(fā)生0.1%的變化。與每個(gè)都有自己的溫度系數(shù)的外部電阻相比，數(shù)字電位計(jì)通常更勝一籌。

提高電路精度的技術(shù)

采用圖2所示設(shè)計(jì)，99個(gè)位置中只有128個(gè)會(huì)產(chǎn)生低于5.5V的輸出電壓。顯著提高電路精度的簡(jiǎn)單改進(jìn)是在電位計(jì)低端和地以及高端和輸出電壓之間增加電阻，見(jiàn)圖6。通過(guò)計(jì)算 R 的智能值1和 R2，可以使用電位計(jì)的所有位置在較小的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓（例如，所有128個(gè)位置都在3.0V和3.6V之間調(diào)整）。由于在較小的范圍內(nèi)會(huì)有更多的調(diào)整位置，因此大大提高了電路的精度。必須仔細(xì)考慮的一件事是 R電子電氣具有廣泛的耐受性。通常數(shù)字電位器指定R電子電氣作為 ±20%，另外還有 R電子電氣會(huì)隨溫度變化。

圖6.通過(guò)增加外部偏置電阻來(lái)提高電路的精度。

改善電路性能的另一種簡(jiǎn)單方法是選擇具有更多位置的數(shù)字電位器，例如DS1845。選擇DS1845的好處是它提供256針位，而不是128針位。選擇DS1845的缺點(diǎn)是要求電位器工作在DS1845的電源電平范圍內(nèi)。因此，電路可能必須采用穩(wěn)定的5V電源供電，并要求輸出電壓小于5V。這在某些情況下可能是實(shí)用的，并且是使電路適應(yīng)特定需求的簡(jiǎn)單方法。

結(jié)論

本應(yīng)用筆記提供了在降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán)路中使用數(shù)字電位器的示例設(shè)計(jì)，并討論了如何分析電路的精度、精密度和溫度性能。在電源電路中使用數(shù)字電位計(jì)在應(yīng)用中是有益的，因?yàn)樗梢詼p小電路的尺寸和校準(zhǔn)時(shí)間，在許多情況下還可以降低整體元件成本。

審核編輯：郭婷