使用按钮式数字电位器的可调电压输出设计

Design of an Adjustable Voltage Output Using a Push-Button Digital Potentiometer

作者：Thomas Brand，ADI 现场应用工程师

问题：
如何使用数字电位器来产生可调电压输出？

答案：
使用按钮式数字电位器。

本文介绍一款利用按钮式数字电位器简单高效地控制高达20 V电压的完整解决方案。这款完整的解决方案提供一种可调电源，可用于需要可调电压输出的各种应用。图1显示具有可变输出功率的相应开关稳压器，使用AD5116数字电位器和具有集成式推挽输出级的ADCMP371比较器。通过添加开关，而不是按钮，可以使用微控制器来调节电压。

AD5116具有64个可用的游标位置，端到端电阻容差为±8%。此外，AD5116包含一个EEPROM来存储游标位置，可通过按钮手动设置。对于需要固定标准上电电压的应用，这个功能非常有用。

该电路由电压VIN供电，最高可达20 V。AD5116和ADCMP371的电源电压VDD也可由VIN生成，例如，通过ADP121等稳压器。


图1.带可变输出、通过按钮控制的高压开关稳压器。

电路工作原理

输出电压VOUT通过反馈网络的开关频率控制。通过分压器反馈到比较器，然后与数字电位器设置的基准电压进行比较。如果从VOUT获取的电压高于基准电压，比较器输出切换到低电平，以阻隔NMOS晶体管T1和PMOS晶体管T2，从而降低VOUT。如果从VOUT获取的电压低于基准电压，比较器输出切换到高电平，两个晶体管切换到导通状态（饱和），从而增加VOUT。通过这种基于比较的功能，晶体管在开启/关断模式下以短脉冲工作，使各晶体管保持低损耗。除电位器的输出电压外，开关频率还受VOUT的负载影响。

随着数模转换器(DAC)输出电压增高，T2关断的时间变长，比较器输出相应增高。比较器输出提供一系列更高频率、速度更快的正电源输出脉冲。如果DAC输出电压降低，则情况相反。

经过滤波的VOUT通过公式1确定。



VW为电位器抽头W处的DAC输出电压。

AD5116的A抽头和B抽头之间的电阻标称值为5 kΩ，划分为64级阶跃。在量程的较低端，典型游标电阻RW降至45 Ω到70 Ω之间。相对于GND的VW输出电压为：



其中RWB为：



RWB是抽头W和较低端的GND之间的电阻值。

RAB为电位器的总电阻。

VA为分压器串顶端的电压；在本例中，它等于VDD。

D为AD5116的RDAC寄存器中二进制代码的十进制等效值。

AD5116的RDAC寄存器通过按钮PD和PU进行控制。默认的上电位置（例如VOUT = 0 V）可以通过ASE引脚存储在电位器的EEPROM中。

滤波器输出：减少纹波

为了获得平稳的输出电压VOUT并减少开关T1和T2导致的纹波，需要使用额外的滤波器电路（参见图2）。在设计此滤波器时，需考虑AD5116的最大和最小开关频率，以及其工作电压范围。

对于图2所示的电路，开关频率范围约为1.8 Hz至500 Hz。因为这个值相当低，所以在确定滤波器的截止频率时，通常需要使用更大的R、L和C值。但是，滤波器的串联电阻和输出负载构成了一个分压器，会降低输出电压。所以，在选择R值时，应选择相对较低的值。

该电路采用了一个简单的RLC低通滤波器。R和C分别为50 Ω和330 μF，L为100 nH。该电路在构建时，也可以选择使用脉宽调制器(PWM)来驱动晶体管和上游的误差放大器。

参考资料
CN-0405：带按钮控制的高压输出DAC。ADI公司，2017年3月。


图2.用于使输出电压平稳的滤波器电路

作者简介
Thomas Brand于2015年加入德国慕尼黑的ADI公司，当时他还在攻读硕士。毕业后，他参加了ADI公司的培训生项目。2017年，他成为一名现场应用工程师。Thomas为中欧的大型工业客户提供支持，并专注于工业以太网领域。他毕业于德国莫斯巴赫的联合教育大学电气工程专业，之后在德国康斯坦茨应用科学大学获得国际销售硕士学位。联系方式：thomas.brand@analog.com。