深度刨析：数字电位器代替了传统的高压机械电位器生成...

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电路功能与优势 图1所示的电路提供了一个完整的解决方案，该解决方案用按钮控制的数字电位器代替了传统的高压机械电位器。 该电路允许低压数字电位计通过简单的按钮开关控制电池或其他电源提供的高达20 V的高压源，从而提供易用性和最佳的电源效率。的AD5116数字电位器提供64具有±8％的端至端电阻容差误差抽头，使其适用于大范围调节。 此外，AD5116内置一个EEPROM，可通过按钮将雨刮器位置手动保存到所需位置。此功能在需要上电默认位置的应用中很有用。 图1.高压DAC电路（简化原理图。未显示所有组件，连接和去耦） 电路描述 图1所示电路是一个简单的高电压，可变输出开关控制器，它使用64位数字电位器AD5116和ADCMP371比较器相结合，具有推挽输出级和低功耗特性，适合电池供电的便携式设备使用。 该电路完全由V IN电源供电，接受高达20 V的输入电压。分压器R1和R2的电压通过ADP121调节至3.3 V，ADP121是一种30μA，低静态电流，低压差线性电路。调节器。3.3 V稳定电压将V DD电压提供给AD5116数字电位器和ADCMP371比较器。 电路操作 该电路是开关电源，通过控制反馈网络的开关频率来调节输出电压。 输出电压V OUT由反馈比较器控制，该比较器将R4和R5分压后的输出电压与从数字电位计AD5116的抽头得出的参考电压进行比较。比较器的输出驱动NMOS晶体管Q1，后者依次驱动串联PMOS晶体管Q2。负反馈使Q2导通和关断，以迫使比较器IN-引脚上的平均电压等于IN +引脚上的电压。由于Q1和Q2处于开启或关闭状态，因此仅消耗少量功率。 当Q1晶体管导通（饱和区域）时，其两端的电压降最小，而当Q1晶体管截止（截止区域）时，几乎没有电流流经电源路径。开关频率取决于AD5116数模转换器（DAC）的输出电压。 当DAC输出为低压时，Q2大部分时间必须打开；因此，比较器输出在大多数情况下必须为低电平。在这些条件下，比较器输出是低频的一系列短正脉冲。 随着DAC输出电压的增加，必须将Q2闭合更长的时间。因此，比较器输出必须更长。在这些条件下，比较器输出是一系列较高频率的较快的正向输出脉冲。如果DAC输出电压降低，则情况相反。 负反馈迫使比较器输入的平均值等于DAC输出电压的任何增加或减少。 滤波后的输出电压V OUT由以下公式确定： 其中V W是抽头端W的DAC输出电压。 数字电位器AD5116在抽头上产生一个分压，该分压与端子B的电压成正比，该电压与V DD成正比。端子A和端子B之间的电阻标称值为5kΩ，分为64个抽头。在刻度的下端，典型的抽头电阻R W减小至45Ω至70Ω。相对于GND的V W的输出电压为 哪里： R WB是底部刻度的抽头电阻。 R AB是端到端电阻。 V A是分压器串顶部的电压，等于V DD。 D是RDAC寄存器中二进制代码的十进制等效项。 RDAC寄存器使用PD和PU按钮控制。建立理想的抽头位置后，可通过ASE按钮将其存储到EEPROM存储器中，该按钮会在上电时设置默认位置。 过滤段 为了产生恒定的直流电压并减小由于输入端发生开关而在输出端产生的纹波电压，需要附加的滤波电路。 确定滤波器设计的关键是确定最大和最小开关频率，并确定纹波注意事项以及DAC工作电压范围。 图2和图3分别显示了零级和满量程时，旁路滤波器块（JP1短路，未插入C10）时电路的未滤波输出波形。 图2. 低压下的V OUT，400 ms / div，1.8 Hz 图3. 高压（交流耦合）下的V OUT，2 ms / div，500 H 如图2和图3所示，电路的工作开关频率范围从大约1.8 Hz（范围的下限）到500 Hz（范围的上限）。引入到输出波形中的开关纹波瞬变可通过简单的滤波器设计进行滤波，该滤波器设计包含在电路的滤波器模块部分中。 分量值取决于滤波器的截止频率。因为开关频率非常低，所以对于低截止频率来说，需要较大的R，L和C值。但是，滤波器的串联电阻与输出负载形成一个分压器，可以降低输出电压。因此，R的值必须相对较小。可以根据应用类型和负载要求修改过滤器设计组件。 实现了一个简单的RLC低通滤波器来过滤输出波形。R8和C10装有50Ω和330μF电容，L1装有100 nH的RLC滤波器。 滤波后的输出波形分别显示在高压输出和低压输出的图4和图5中。 图4. 高Z负载时的滤波V OUT（高电压） 图5. 负载为1kΩ时的滤波后V OUT（低压） 滤波后的输出表明纹波电压约为100 mV pp。请注意，所有代码的峰峰值纹波电压均具有相同的值，并且不受连接至输出的负载的影响。该电路中使用的晶体管是IRF9630S晶体管。但是，它可以由具有相同规格但IDSS更低的其他晶体管替代。 测试数据和结果 V OUT（rms）与DAC代码的关系图如图6至图9所示。这些测试使用RLC滤波器对输出进行了测试，使用的是图1中所示的值（50Ω，330 nH和330μF）。 。 图6显示，空载时输出电压的限制超过了Code 56，此时比较器输入接近其输入共模电压的极限。 图6.输出电压和误差与十进制码的关系（V IN = 20 V，高阻负载），满量程DAC范围 图7显示，从代码10到代码54，输出具有±5％的误差。较低代码（参见图6）中的高百分比误差是由串联侧晶体管Q2的高失调电压引起的。 图7.输出电压和误差与十进制代码的关系（V IN = 20 V，高阻负载），线性工作范围内的DAC 50串联电阻与负载组成一个分压器。负载为1kΩ时，输出电压限制为19.01 V，如图8所示。 图8.输出电压和误差与十进制码的关系（V IN = 20 V，RL = 1kΩ），满量程DAC范围 图9显示了在代码10至代码54的线性工作范围内输出负载为1kΩ时的响应。 图9.输出电压和误差与十进制码的关系（V IN = 20 V，RL = 1kΩ），线性工作范围内的DAC 常见变化 通过使用脉冲宽度调制器（PWM）来控制串联传输晶体管开关的开/关时间比，可以增强电路的性能，从而简化滤波。比较器也可以由控制PWM的误差放大器代替。具有低IDSS的功率晶体管可用于最小化输出处的纹波偏移电压。PWM控制器可在输出电压调整中提供更高的精度。 该电路还可以使用输出可调的降压转换器（例如ADP2441）实现。AD5116用作分压器，为降压转换器的反馈引脚供电。但是，必须将输出电压衰减4倍，以将AD5116驱动电压限制为5V。 电路评估与测试 该电路使用以下设备进行电路评估。 所需设备 需要以下设备： EVAL-CN0405-EB1Z电路评估板 Agilent E36311A双直流电源或同等电源 Agilent 3458A万用表或同等产品 示波器 测试设置功能框图 图10显示了测试设置的功能图。 图10.测试设置功能图 建立 采取以下步骤进行电路评估： 对于滤波后的输出，将P3的Pin 1和Pin 2链接与跳线相连。删除JP1跳线链接。 对于未滤波的输出，将P3的Pin 2和Pin 3链接与跳线相连。安装JP1跳线链接。卸下C10。 将P2（V OUT）连接到示波器/万用表。 将20 V电源电压连接至V IN。 按下PU或PD按钮以改变输出电压。 上电时，按ASE按钮可保存所需的输出电压。 使用Agilent E3631A电源提供20 V输入电压。使用示波器捕获EVAL-CN0405-EB1Z的输出波形，并使用Agilent 3458A万用表测量V RMS电压。 可在www.analog.com/CN0405-DesignSupport的CN-0405设计支持包中找到有关EVAL-CN0405-EB1Z电路板的完整文档，包括示意图，布局和物料清单。 图11显示了该板的照片。 图11. EVAL-CN0405-EB1Z板照片