在可调降压型DC-DC转换器设计中使用数字电位器

本应用笔记介绍如何使用数字电位器，利用MAX1776降压型DC-DC转换器产生可调电压电源。图中显示了采用DS3903的参考设计，该设计能够产生1.25V至5.50V的稳压电源，电位器允许将电源校准至所需电压电平的1.8%以内。根据MAX1776使用的限流设置，该设计能够提供高达600mA的电流。

介绍

DS3903是这类应用的理想器件，因为电位器端子允许的电压为0V至5.5V，与DS3903的电源电压无关。这样就可以将DS3903设计到MAX1776的反馈环路中，而不保证DS3903的电源电平始终大于产生的输出电压。此外，DS3903在整个温度范围内用作分压器时具有30PPM/°C的稳定性，可将温度对电路性能的影响降至最低。为了进一步了解数字电位计在电源设计中的应用，AN226讨论了使用带有升压DC-DC转换器的数字电位计。

使用数字电位计的优势

使用数字电位计创建可调电源的主要好处是，它们允许校准过程的自动化。对于2线和3线数字电位计尤其如此，因为它们的数字接口易于计算机控制。当连接到测试/测量系统时，这允许校准电压电源，而无需在电压电源电路的生产中引入劳动密集型过程。在此类应用中使用数字电位计的其他好处包括：非易失性（NV）位置设置;外形小巧;每个封装几个电位计;低比例温度系数;最后但并非最不重要的一点是，它们相对便宜。

DS3909与MAX1776配合使用

为了产生可调电源，数字电位计用于设置输出电压V的比率外，至MAX1776的反馈电压，VFB.这是通过将输出电压连接到电位计的高端端子（H）、低端端子（L）连接到地以及游标输出（W）连接到反馈引脚FB来完成的，见图1。

图1.在反馈环路中使用数字电位器，MAX1776

输出电压将通过调整电位器的位置来设置，这将使MAX1776升高或降低输出电压，直到VFB最终保持在V的指定范围内FB用于MAX1776。输出电压在公式1中显示为电阻的函数，其中V外为输出电压，RL是从雨刮器到地面的电阻，R电子电气是数字电位器的端到端电阻。

等式2和等式3显示R电子电气和 RL作为 ΔR 和 P 的函数，其中 ΔR 是每个位置的增量电阻增加，P 是当前位置设置，常数/P 是给定数字电位计的总数。DS3903的电位器各有128个位置。

等式4是将等式2和3代入等式1，然后求解V的结果外并简化表达式。等式 5 是等式 4，假设 VFBMAX1776在标称值为1.25V时保持恒定，使用具有3903位的DS128。

图2所示电路为简单电路，允许DS3903工作在MAX1776的输入电压（V在= 4.5V至24.0V），并提供调节输出所需的反馈。使DS3903能够在该电路中工作的关键因素是：

DS3903的宽V电压抄送电源范围 （2.7V 至 5.5V） 允许其使用齐纳二极管来调节其 V抄送供应。DS3903的电源电压随V变化范围约为2.7V至4.3V在范围为4.5V至24V。

只要DS3903上电，DS0的电位器信号就可以工作在5V至5.3903V，与DS3903的V无关。抄送供应水平。大多数数字电位计要求电位计端子保持在0V和V之间抄送.这就要求MAX1776的输出电压低于数字电位器的电源电压。由于DS3903没有这一要求，因此在这类应用中提供了更大的灵活性。

SDA和SCL上拉电阻（R1和R2）采用与DS3903相同的电源供电（VDS3903），这也确保了该器件能够在很宽的输入电压范围内工作。如果DS3903与2线总线断开连接，上拉电阻应保持连接到SDA和SCL，以防止它们浮空低电平。

DS3903是NV的，所以一旦它被用来校准电源，它就会记住它的设置，直到将来改变，即使电路断电也是如此。

图2.使用DS3903和MAX1776

MAX1776所示的无源元件应根据MAX2数据资料表3所示的推荐元件选择指南，根据所需的限流输入ILIM和ILIM1776进行选择。本应用笔记所示值与本表所示电路3相对应。该电路能够提供 150mA 直流电流，峰值电感电流为 300mA。如引言中所述，其他电路配置可提供高达600mA的电流。

电源电压精度、精度和温度性能

通常用于确定应用中电压电源性能的三个参数是其精度、精密度和温度性能。本节介绍确定数字电位计的积分和差分非线性及其温度性能如何影响电压电源设置输出电压、校准输出电压和在整个温度范围内保持输出电压的能力所需的一些分析。这些技术可用于分析将任何数字电位计放入类似的DC-DC转换器设计中的影响。

供应精度

电源精度定义为使用公式5计算数字电位计位置，将电源设置为特定电压时可以预期的误差。公式5假设MAX1776具有典型反馈电压（VFB= 1.25V）和DS3903电位器的理想积分非线性（INL）特性。实际上，MAX1776的反馈电压为±3%，DS3903的INL数据资料值为±1 LSB。因为输出电压由乘以V决定FB乘以电位计的 1/比率，与 INL 相关的任何误差乘以 V 的比率外/VFB也。图3所示为输出精度与所需输出电压的函数关系，使用最差情况和典型情况（基于DS3903数据资料中的典型工作特性）INL电位器型号。该曲线是使用公式4和最坏情况V计算的FB（下限和上限分别为1.212V或1.288V）和RL调整±1 LSB或典型的INL值±0.090 LSB。在大多数情况下，输出电压的精度并不重要，因为电位计的精度会影响校准后的电源精度。

图3.输出电压精度与所需输出电压的函数关系。

供应精度

电源精度决定了可用于将电源校准到所需输出电压的分辨率。分析电源精度，VFB假设给定器件为常数，并评估数字电位计的离散步进（包括差分非线性（DNL））引起的量化误差。必须假设最坏情况或典型DNL将始终影响有关所需电压的离散步进。图4显示了DNL对电源精度的影响。

为了计算电源精度，使用公式1，RL将进行调整以考虑DNL，例如 那 RL± DNL 会导致量化间隔增加。校准误差是量化间隔的 5/2。图<>显示了示例电路（图<>）最坏情况下校准误差与输出电压的关系。

图 4a.考虑量化误差和DNL分析电源精度。

图 4b.考虑量化误差和DNL分析电源精度。

图5.电源精度引起的校准误差与所需输出电压的函数关系。

温度性能

在这种类型的反馈环路中使用数字电位器的优点之一是，当数字电位计用作分压器时，它们在整个温度范围内具有非常好的性能。这是构成数字电位计中电阻元件的材料在单个芯片内匹配的直接结果。看着 V输出精度与温度的关系 典型性能曲线 在MAX1776的数据资料中，它在-1°C至+1°C温度范围内偏移约-0.7%至+40.85%。当用作分压器时，达拉斯半导体的大多数数字电位计都能提供±30PPM/°C的温度稳定性。如果分析最坏情况，DS3903只会给电路的温度性能增加0.2%（30PPM/°C x （25°C - （-40°C）） = 1950PPM = 0.195%）误差。通常，DS3903的分压器温度系数约为15PPM/°C，因此这种效应通常只会导致输出电压发生0.1%的变化。与每个都有自己的温度系数的外部电阻相比，数字电位计通常更胜一筹。

提高电路精度的技术

采用图2所示设计，99个位置中只有128个会产生低于5.5V的输出电压。显著提高电路精度的简单改进是在电位计低端和地以及高端和输出电压之间增加电阻，见图6。通过计算 R 的智能值1和 R2，可以使用电位计的所有位置在较小的范围内调节输出电压（例如，所有128个位置都在3.0V和3.6V之间调整）。由于在较小的范围内会有更多的调整位置，因此大大提高了电路的精度。必须仔细考虑的一件事是 R电子电气具有广泛的耐受性。通常数字电位器指定R电子电气作为 ±20%，另外还有 R电子电气会随温度变化。

图6.通过增加外部偏置电阻来提高电路的精度。

改善电路性能的另一种简单方法是选择具有更多位置的数字电位器，例如DS1845。选择DS1845的好处是它提供256针位，而不是128针位。选择DS1845的缺点是要求电位器工作在DS1845的电源电平范围内。因此，电路可能必须采用稳定的5V电源供电，并要求输出电压小于5V。这在某些情况下可能是实用的，并且是使电路适应特定需求的简单方法。

结论

本应用笔记提供了在降压型DC-DC转换器的反馈环路中使用数字电位器的示例设计，并讨论了如何分析电路的精度、精密度和温度性能。在电源电路中使用数字电位计在应用中是有益的，因为它可以减小电路的尺寸和校准时间，在许多情况下还可以降低整体元件成本。

审核编辑：郭婷