如何使用按钮式数字电位器的可调电压输出设计

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