數(shù)字電位器在DC-DC變換器中的應(yīng)用

    摘要：在升壓和降壓DC-DC變換器中，可以用數(shù)字電位器的工作達(dá)到對(duì)輸出電壓進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)節(jié)的目的。

    關(guān)鍵詞：數(shù)字電位器 DC-DC變換器 電壓應(yīng)用

1 引言

數(shù)字電位器（DCP）是數(shù)控電阻大小的器件，數(shù)控的接口方式有直接按鍵方式、三線接口方式（選片線、方向線、脈沖線）、SPI接口方式和I2C接口方式。通常用于校準(zhǔn)系統(tǒng)精度和控制系統(tǒng)參數(shù)的大小。

2 脈寬調(diào)制模式

早上20世紀(jì)60年代，電源的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)首先應(yīng)用在軍用電源的設(shè)計(jì)中。它的優(yōu)勢(shì)在于重量輕和效率高，可以控制均衡電量的加載，就是控制均衡電壓的供給，通過(guò)高速動(dòng)作的開(kāi)關(guān)量的開(kāi)和關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，加載到電阻器上的平均電壓Vo(avg)=(ton/T)×Vi，這種控制方法就稱為脈寬調(diào)制模式。本文概述在二種類型DC-DC變換器中數(shù)字電位器的應(yīng)用，包括如何調(diào)節(jié)反饋電阻來(lái)獲得輸出電壓。

3 降壓型DC-DC變換器

圖2所示為降壓型DC-DC變換器的典型電路，當(dāng)控制器IC感應(yīng)到輸出電壓Vo太低時(shí)，啟動(dòng)通道上的晶體管Q給電感器L充電，同時(shí)也對(duì)電容器C充電，當(dāng)輸出電壓V0上升到一個(gè)預(yù)定值時(shí)，控制器關(guān)閉通道上的晶體管Q，電感器L和電容器C上獲取的能量通過(guò)肖特基二極管構(gòu)成的回路自由釋放，從電感器L到電容器C進(jìn)行有效的能量傳輸會(huì)消耗一部分能量，因此加載在負(fù)載上的電壓有所下降。

以TI公司的TPS62000型電路為例，如圖3所示，它是低噪聲同步降壓型DC-DC變換器，內(nèi)部采用電流模式PWM控制器，工作頻率典型值為750kHz。在關(guān)閉模式下，電流損耗可降低到1μA，非常適合于1節(jié)鋰離子電池、2節(jié)到3節(jié)鎳鉻、鎳氫電池或堿性電池。2節(jié)電池供電時(shí)，輸出最大電流為200mA；3節(jié)電池供電時(shí)，輸出最大電流為600mA。

    TPS62000DGS的輸出電壓可調(diào)，通過(guò)調(diào)整反饋引腳FB的電壓值來(lái)達(dá)到輸出電壓V0的變化，采用數(shù)字電位器來(lái)調(diào)節(jié)反饋引腳FB的電壓。在圖3中，H為數(shù)字電位器可調(diào)電阻器的高電壓端，L為數(shù)字電位器可調(diào)電阻器的低電壓端，W為數(shù)字電位器滑動(dòng)電壓輸出端。輸出電壓的計(jì)算公式為V0=0.45V×(1+RH/RL),其中要求RH+RL≤1MΩ，每次調(diào)接的電阻值為1kΩ。3線接口可設(shè)計(jì)成單片機(jī)控制或按鍵直接控制（外擴(kuò)邏輯電路），在減小數(shù)字電位器RL的阻值時(shí)，輸出電壓V0會(huì)增加。由于該器件是DC-DC降壓器件，因此輸出電壓V0最大值為輸入電壓VI。

當(dāng)數(shù)字電位器調(diào)節(jié)到RH=82kΩ,RL=18kΩ時(shí)，輸出電壓；

Vo=0.45×(1+82kΩ/18kΩ)=2.5V；

當(dāng)數(shù)字電位器調(diào)節(jié)到RH=85kΩ,RL=15kΩ時(shí)，輸出電壓

Vo=0.45V×(1+85kΩ×15/kΩ)=3.0V。

4 升壓型DC-DC變換器

圖4所示為升壓型DC-DC變換器的典型電路，通過(guò)控制器IC延長(zhǎng)啟動(dòng)晶體管的時(shí)間，以增加電感器的峰值電流來(lái)達(dá)到升壓目的。傳輸作用的計(jì)算公式為

Vo=VIN[T/(T-ton)]

式中，T為晶體管啟動(dòng)和關(guān)閉的周期；t(on)是晶體管啟動(dòng)的周期。

    以TI公司的TPS61030型電路為例，如圖5所示，該電路是效率高達(dá)96%的同步升壓變換器。非常適合于1節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池、2節(jié)到3節(jié)堿性電池、鎳鉻或鎳氫電池，變換產(chǎn)生固定輸出電壓或可調(diào)輸出電壓，輸出電壓的調(diào)節(jié)通過(guò)數(shù)字電位器調(diào)節(jié)反饋引腳FB的電壓獲得。在輸入電壓最低為1.8V時(shí)，輸出電壓為5V，輸出電流最大為1A。升壓基于一個(gè)固定頻率PWM控制器同步開(kāi)關(guān)整流獲取高效率。具有關(guān)閉電源和過(guò)熱保護(hù)功能。在圖5中，H為數(shù)字電位器可調(diào)電阻器的高電壓端，L為數(shù)字電位器可調(diào)電阻器的低電壓端，W為數(shù)字電位器滑動(dòng)電壓輸出端。反饋引腳FB的電壓典型值為500mA，最大允許輸出電壓為5.5V。輸出電壓的計(jì)算公式為Vo=0.5V×(1+RH/RL)。另外，該電路內(nèi)含電壓基準(zhǔn)0.5V的電池電壓比較器，輸入引腳LBI的電壓通過(guò)電池電壓分壓獲得，分壓電阻器R1和R2也可以采用數(shù)字電位器調(diào)節(jié)。

以Xicor公司的3線接口（CS、U/D、INC）、100抽頭X9C104S型電路為例，它的電位器阻值為100kΩ，每次調(diào)節(jié)的電阻值為1kΩ。3線接口可設(shè)計(jì)成單片機(jī)控制或按鍵直接控制（外擴(kuò)邏輯電路），在減小數(shù)字電位器RL的阻值時(shí)，輸出電壓V0會(huì)增加。由于該電路是DC-DC升壓型器件，因此輸出電壓V0最小為輸入電壓VI。

5 小結(jié)

數(shù)字電位器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示，它用控制MSO管的開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)滑動(dòng)端VW在VH和VL之間多個(gè)等值電阻的位置，抽頭數(shù)越多，等值電阻越多。調(diào)整的范圍越寬，對(duì)DC-DC變換器的輸出電壓調(diào)整幅度越小。

數(shù)字電位器的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)整的精確度高于機(jī)械電位器，缺點(diǎn)是線性度有機(jī)械電位器好。另外，機(jī)械電位器有觸點(diǎn)，滑動(dòng)端長(zhǎng)期滑動(dòng)出現(xiàn)接觸問(wèn)題。而數(shù)字電位器沒(méi)有觸點(diǎn)，因而使用壽命和可靠性優(yōu)于機(jī)械電位器。