數字電位器在DC-DC變換器中的應用

摘要：在升壓和降壓DC-DC變換器中，可以用數字電位器的工作達到對輸出電壓進行校準和調節的目的。

關鍵詞：數字電位器 DC-DC變換器 電壓應用

1 引言

數字電位器（DCP）是數控電阻大小的器件，數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。通常用于校準系統精度和控制系統參數的大小。

2 脈寬調制模式

早上20世紀60年代，電源的開關調節首先應用在軍用電源的設計中。它的優勢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，通過高速動作的開關量的開和關來實現。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制模式。本文概述在二種類型DC-DC變換器中數字電位器的應用，包括如何調節反饋電阻來獲得輸出電壓。

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，當控制器IC感應到輸出電壓Vo太低時，啟動通道上的晶體管Q給電感器L充電，同時也對電容器C充電，當輸出電壓V0上升到一個預定值時，控制器關閉通道上的晶體管Q，電感器L和電容器C上獲取的能量通過肖特基二極管構成的回路自由釋放，從電感器L到電容器C進行有效的能量傳輸會消耗一部分能量，因此加載在負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，內部采用電流模式PWM控制器，工作頻率典型值為750kHz。在關閉模式下，電流損耗可降低到1μA，非常適合于1節鋰離子電池、2節到3節鎳鉻、鎳氫電池或堿性電池。2節電池供電時，輸出最大電流為200mA；3節電池供電時，輸出最大電流為600mA。

TPS62000DGS的輸出電壓可調，通過調整反饋引腳FB的電壓值來達到輸出電壓V0的變化，采用數字電位器來調節反饋引腳FB的電壓。在圖3中，H為數字電位器可調電阻器的高電壓端，L為數字電位器可調電阻器的低電壓端，W為數字電位器滑動電壓輸出端。輸出電壓的計算公式為V0=0.45V(1+RH/RL),其中要求RH+RL≤1MΩ，每次調接的電阻值為1kΩ。3線接口可設計成單片機控制或按鍵直接控制（外擴邏輯電路），在減小數字電位器RL的阻值時，輸出電壓V0會增加。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。

當數字電位器調節到RH=82kΩ,RL=18kΩ時，輸出電壓；

Vo=0.45(1+82kΩ/18kΩ)=2.5V；

當數字電位器調節到RH=85kΩ,RL=15kΩ時，輸出電壓

Vo=0.45V(1+85kΩ15/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，通過控制器IC延長啟動晶體管的時間，以增加電感器的峰值電流來達到升壓目的。傳輸作用的計算公式為

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

式中，T為晶體管啟動和關閉的周期；t(on)是晶體管啟動的周期。

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

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，每次調節的電阻值為1kΩ。3線接口可設計成單片機控制或按鍵直接控制（外擴邏輯電路），在減小數字電位器RL的阻值時，輸出電壓V0會增加。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

數字電位器的內部結構如圖6所示，它用控制MSO管的開關來調節滑動端VW在VH和VL之間多個等值電阻的位置，抽頭數越多，等值電阻越多。調整的范圍越寬，對DC-DC變換器的輸出電壓調整幅度越小。

數字電位器的優點是調整的精確度高于機械電位器，缺點是線性度有機械電位器好。另外，機械電位器有觸點，滑動端長期滑動出現接觸問題。而數字電位器沒有觸點，因而使用壽命和可靠性優于機械電位器。