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使用按鈕式數(shù)字電位器的可調(diào)電壓輸出設(shè)計(jì)

2020-12-17 19:44:03 Thomas Brand，ADI 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師

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問(wèn)題：
如何使用數(shù)字電位器來(lái)產(chǎn)生可調(diào)電壓輸出？

答案：
使用按鈕式數(shù)字電位器。

本文介紹一款利用按鈕式數(shù)字電位器簡(jiǎn)單高效地控制高達(dá)20 V電壓的完整解決方案。這款完整的解決方案提供一種可調(diào)電源，可用于需要可調(diào)電壓輸出的各種應(yīng)用。圖1顯示具有可變輸出功率的相應(yīng)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，使用AD5116數(shù)字電位器和具有集成式推挽輸出級(jí)的ADCMP371比較器。通過(guò)添加開(kāi)關(guān)，而不是按鈕，可以使用微控制器來(lái)調(diào)節(jié)電壓。

AD5116具有64個(gè)可用的游標(biāo)位置，端到端電阻容差為±8%。此外，AD5116包含一個(gè)EEPROM來(lái)存儲(chǔ)游標(biāo)位置，可通過(guò)按鈕手動(dòng)設(shè)置。對(duì)于需要固定標(biāo)準(zhǔn)上電電壓的應(yīng)用，這個(gè)功能非常有用。

該電路由電壓V_IN供電，最高可達(dá)20 V。AD5116和ADCMP371的電源電壓V_DD也可由V_IN生成，例如，通過(guò)ADP121等穩(wěn)壓器。

圖1.帶可變輸出、通過(guò)按鈕控制的高壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。

電路工作原理

輸出電壓V_OUT通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)關(guān)頻率控制。通過(guò)分壓器反饋到比較器，然后與數(shù)字電位器設(shè)置的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。如果從V_OUT獲取的電壓高于基準(zhǔn)電壓，比較器輸出切換到低電平，以阻隔NMOS晶體管T1和PMOS晶體管T2，從而降低V_OUT。如果從V_OUT獲取的電壓低于基準(zhǔn)電壓，比較器輸出切換到高電平，兩個(gè)晶體管切換到導(dǎo)通狀態(tài)（飽和），從而增加V_OUT。通過(guò)這種基于比較的功能，晶體管在開(kāi)啟/關(guān)斷模式下以短脈沖工作，使各晶體管保持低損耗。除電位器的輸出電壓外，開(kāi)關(guān)頻率還受V_OUT的負(fù)載影響。

隨著數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出電壓增高，T2關(guān)斷的時(shí)間變長(zhǎng)，比較器輸出相應(yīng)增高。比較器輸出提供一系列更高頻率、速度更快的正電源輸出脈沖。如果DAC輸出電壓降低，則情況相反。

經(jīng)過(guò)濾波的V_OUT通過(guò)公式1確定。

V_W為電位器抽頭W處的DAC輸出電壓。

AD5116的A抽頭和B抽頭之間的電阻標(biāo)稱(chēng)值為5 k?，劃分為64級(jí)階躍。在量程的較低端，典型游標(biāo)電阻R_W降至45 ?到70 ?之間。相對(duì)于GND的V_W輸出電壓為：

其中R_WB為：

R_WB是抽頭W和較低端的GND之間的電阻值。

R_AB為電位器的總電阻。

V_A為分壓器串頂端的電壓；在本例中，它等于V_DD。

D為AD5116的RDAC寄存器中二進(jìn)制代碼的十進(jìn)制等效值。

AD5116的R_DAC寄存器通過(guò)按鈕PD和PU進(jìn)行控制。默認(rèn)的上電位置（例如V_OUT = 0 V）可以通過(guò)ASE引腳存儲(chǔ)在電位器的EEPROM中。

濾波器輸出：減少紋波

為了獲得平穩(wěn)的輸出電壓V_OUT并減少開(kāi)關(guān)T1和T2導(dǎo)致的紋波，需要使用額外的濾波器電路（參見(jiàn)圖2）。在設(shè)計(jì)此濾波器時(shí)，需考慮AD5116的最大和最小開(kāi)關(guān)頻率，以及其工作電壓范圍。

對(duì)于圖2所示的電路，開(kāi)關(guān)頻率范圍約為1.8 Hz至500 Hz。因?yàn)檫@個(gè)值相當(dāng)?shù)?，所以在確定濾波器的截止頻率時(shí)，通常需要使用更大的R、L和C值。但是，濾波器的串聯(lián)電阻和輸出負(fù)載構(gòu)成了一個(gè)分壓器，會(huì)降低輸出電壓。所以，在選擇R值時(shí)，應(yīng)選擇相對(duì)較低的值。

該電路采用了一個(gè)簡(jiǎn)單的RLC低通濾波器。R和C分別為50 Ω和330 μF，L為100 nH。該電路在構(gòu)建時(shí)，也可以選擇使用脈寬調(diào)制器(PWM)來(lái)驅(qū)動(dòng)晶體管和上游的誤差放大器。

參考資料
CN-0405：帶按鈕控制的高壓輸出DAC。ADI公司，2017年3月。

圖2.用于使輸出電壓平穩(wěn)的濾波器電路

作者簡(jiǎn)介
Thomas Brand于2015年加入德國(guó)慕尼黑的ADI公司，當(dāng)時(shí)他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓(xùn)生項(xiàng)目。2017年，他成為一名現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶(hù)提供支持，并專(zhuān)注于工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域。他畢業(yè)于德國(guó)莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)，之后在德國(guó)康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國(guó)際銷(xiāo)售碩士學(xué)位。