基于數(shù)字電位器的可編程穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)

　　引言

　　可調(diào)式線性穩(wěn)壓器和開關(guān)式穩(wěn)壓器都是通過手動(dòng)調(diào)節(jié)電阻值來改變輸出電壓的，不僅調(diào)節(jié)精度低，而且使用不夠方便。數(shù)字電位器(Digital Polentiometer)亦稱數(shù)控電阻器(Digitally con-trolLED Potentiometers)，可簡稱為DCP。利用數(shù)字電位器代替可凋電阻，可構(gòu)成由計(jì)算機(jī)控制的可編程穩(wěn)壓器。

　　1 可編程線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)

　　1.1 三端可調(diào)式線性穩(wěn)壓器的基本應(yīng)用

　　三端可調(diào)式線性穩(wěn)壓器屬于第二代二端線性穩(wěn)壓器。它既保留了第一代三端同定式線性穩(wěn)壓器7800、7900系列產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，又克服了電壓不可調(diào)整的缺點(diǎn)，并且在電壓穩(wěn)定度上比前者提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。適合制作實(shí)驗(yàn)室電源及多種供電方式的直流穩(wěn)壓器。典型產(chǎn)品有LM317，其主要技術(shù)指標(biāo)為U1=2～40V，Uo=1.25～37 V，IOM=1.5A。其電壓調(diào)整率SV=0.02%，負(fù)載調(diào)整率S1=O.1%。

　　LM317的基本應(yīng)用電路如圖1所示。R1、R2為取樣電阻。LM317的最小負(fù)載電流，IL=5 mA，若要留出余量，亦可取IL=10mA。R1的阻值有兩種取法：　　

 　　(1)當(dāng)IL=5mA時(shí)，R1=1.25V/5mA≈240Ω，此時(shí)R2可選6.8kΩ的可調(diào)電阻;

　　(2)當(dāng)IL=10mA時(shí)，R1=1.25V/10mA≈120Ω。

　　R2可選3.4kΩ可調(diào)電阻。

　　調(diào)整R2時(shí)均可獲得1.25～37V的穩(wěn)壓輸出。C2可濾除R2兩端的紋波，使之不能經(jīng)放大后從Uo端輸出。D2為保護(hù)二極管，一旦U1發(fā)生短路故障，由D2給C2提供泄放回路，避免C2經(jīng)過LM317內(nèi)部放電而損壞芯片。C1能防止輸出端產(chǎn)生自激振蕩。當(dāng)穩(wěn)壓器的輸出端接大容量負(fù)載電容CL時(shí)，D1可起到保護(hù)作用，一旦穩(wěn)壓器的輸入端發(fā)生短路，CL上積存的電荷便經(jīng)過D1對地放電。輸出電壓的計(jì)算公式為　　

 　　顯然，當(dāng)R2=0時(shí)，Uo=1.25V;當(dāng)R2/R1=28.6時(shí)，Uo=37V。該電路的缺點(diǎn)是輸出電壓值必須靠手動(dòng)調(diào)整，不僅調(diào)整精度低，而且使用不夠方便。

　　1.2 由數(shù)字電位器和LM317構(gòu)成的可編程線性穩(wěn)壓器

　　1.2.1 電路設(shè)計(jì)方案

　　由數(shù)字電位器和TM317聯(lián)合構(gòu)成可編程線性穩(wěn)壓器時(shí)有3種電路設(shè)計(jì)方案。第一種方案是用數(shù)字電位器(DCP)來代替圖1中的R2，電路如圖2(a)所示。此時(shí)DCP就作為LM317的調(diào)整電阻，DCP工作在可調(diào)電阻器模式。設(shè)調(diào)整后的電阻值為RDCP，單片機(jī)通過改變RDCF值，即可設(shè)定穩(wěn)壓器的輸出電壓。第二種方案是用RDCP同時(shí)代替R1、R2，這樣可節(jié)省一只電阻元件，其簡化電路如圖2(b)所示，其他部分與圖2(a)相同。第三種方案是將數(shù)字電位器串聯(lián)在R1、R2中間，簡化電路如圖 2(c)所示，該電路適合在小范圍內(nèi)對輸出電壓進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)?！?/p>

 　　1.2.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)

　　(1)穩(wěn)壓器的電壓調(diào)節(jié)范圍 在用數(shù)字電位器代替可變電阻時(shí)，線性穩(wěn)壓器的調(diào)節(jié)范圍會(huì)變窄。普通數(shù)字電位器的電源電壓范圍一般為2.5～5.5 V(或3～6V)，典型值為5 V，因此RDCP上的壓降不得超過5 V，此時(shí)Uo的調(diào)整范圍就被限制在l.25～6.25V。如果RDCP上的壓降超過5V，就必須采用高壓數(shù)字電位器，例如MAX5436～MAX5439均屬于高壓數(shù)字電位器。其最高電壓可達(dá)30V。當(dāng)輸入電捱U1=+25V、R1=240Ω、RDCP=0～398kΩ時(shí)，輸出電壓Uo可在+1.25～22v范圍內(nèi)變化。

　　(2)穩(wěn)壓器的空載穩(wěn)壓特性 由數(shù)字電位器構(gòu)成可編程線性穩(wěn)壓器時(shí)，應(yīng)考慮LM317的空載穩(wěn)壓特性。為使LM317達(dá)到最佳穩(wěn)壓性能，空載時(shí)的最小負(fù)載電流至少應(yīng)等于5 mA。因此，應(yīng)選擇最大工作電流為5 mA的數(shù)字電位器，例如X9313WP型32抽頭數(shù)字電位器。數(shù)寧電位器的阻值選10kΩ為宜，從中很容易獲得RDCF=6.8kΩ的電阻調(diào)整范圍。數(shù)字電位器的抽頭數(shù)應(yīng)根據(jù)所要求的電壓分辨力來選擇。普通數(shù)字電位器的最大工作電流一般儀為1 mA，無法承受5 mA的工作電流。這就要求必須按比例增加RDCP的電阻值，但這會(huì)使穩(wěn)壓性能降低。其理由如下：LM317的靜態(tài)電流IADJ=50μA，在正常情況下取IL=5mA時(shí)，IADJ在RDCP上形成的壓降URDCP=IADJRDCP。將RDCP調(diào)整到1.008 kΩ時(shí)，U。=6.5V，此時(shí)URDCP=O.05V，該電壓與IL在RDCP上形成的壓降相疊加，最終僅會(huì)使Uo升高0.05V。而當(dāng)IL’=IL/5=lmA時(shí)，必須將R1和RDCP的電阻值擴(kuò)大到原來的5倍，變成R1’=5R1，RDCP’=5RDCP;將RDCP’調(diào)整到5.04kΩ時(shí)，Uo=6.5V，此時(shí)IADJ在RDCP’上形成的壓降也擴(kuò)大到5倍，會(huì)使Uo升高O.25V。綜上所述，Uo隨RDCP的電阻值而變化是造成穩(wěn)壓性能降低的主要原因。

　　為使普通數(shù)字電位器也能滿足空載穩(wěn)壓特性的要求，有以下3種解決方法。

　　(1)將幾只電阻值相同的數(shù)字電位器進(jìn)行并聯(lián)，以擴(kuò)展工作電流，并聯(lián)后的總電阻值必須符合調(diào)整要求。此方法的缺點(diǎn)是需要使用多個(gè)數(shù)字電位器，會(huì)造成資源浪費(fèi)。

　　(2)在LM317的輸出端接一只假負(fù)載RL。這種方法的缺點(diǎn)是RL與R1、RDCP并聯(lián)之后不僅會(huì)降低電源效率，還改變了調(diào)整RDCP的線性度。

　　(3)更好的方法是采用基準(zhǔn)電壓源，經(jīng)過數(shù)字電位器分壓后直接給LM317的ADJ端提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓UBEF?；鶞?zhǔn)電壓源具有電壓穩(wěn)定度高，不受環(huán)境溫度變化的影響，能通過外部元件作精細(xì)調(diào)整，獲得高準(zhǔn)確度的電壓值、使用靈活、方便等優(yōu)點(diǎn)。由LM336-5.0型5V基準(zhǔn)電壓源、10kΩ數(shù)字電位器和緩沖器構(gòu)成的可編程線性穩(wěn)壓器電路如圖3所示。　　

 　　設(shè)計(jì)可編程精密穩(wěn)壓器時(shí)，還應(yīng)考慮數(shù)字電位器滑動(dòng)端電阻、阻值偏差、電阻溫度系數(shù)等因素的影響，上述誤差均可通過軟件進(jìn)行修正。

　　2 可編程精密低壓差穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)

　　在工業(yè)控制領(lǐng)域，有時(shí)需要提供一個(gè)能在小范圍內(nèi)作精密調(diào)整的高效率、低壓輸出的數(shù)控線性穩(wěn)壓電源。利用低壓差穩(wěn)壓器(Low Dropout Regulator，LD0)，能大大提高電源轉(zhuǎn)換效率，節(jié)省電能。由DS1809和低壓差穩(wěn)壓器LP2950-5.O構(gòu)成可編程精密低壓差穩(wěn)壓器的電路如圖4所示。DSl809屬于按鍵式64抽頭非易失性數(shù)字電位器。LP2950-5.O是美國SIPEX公司推出的低壓差穩(wěn)壓器，其輸出電壓為+5v，額定輸出電流為100mA，特別適合采用電池供電的系統(tǒng)，如手機(jī)、無線控制系統(tǒng)及筆記本電腦。LP2950-5.O具有低靜態(tài)電流、低壓差等特性，在輕載時(shí)的壓差僅為50mV，輸出100mA電流時(shí)的壓差也只有380mV?！　?/p>

 　　該可編程精密低樂差穩(wěn)壓器的輸入端接6 V電池。輸出電壓Uo=+5～5.5V，調(diào)節(jié)范圍是O.5V。O.5 V被DSl809分為64份，步進(jìn)量為7.8 mV。DSl809的總電阻值有10kΩ、50 kΩ和100kΩ三種規(guī)格，可供選擇。R1、R2為分壓電阻，它們與DSl809的輸出電阻RDCP一同構(gòu)成分壓器。分壓器的輸出端接LP2950-5.0的反饋端(FB)，通過按鍵設(shè)定RDCP的電阻值，即可在規(guī)定范圍內(nèi)精確地調(diào)節(jié)Uo值。C1為輸入端的退耦電容。C2用來濾除Uo中的交流噪聲并改善瞬態(tài)響應(yīng)。當(dāng)輸出端接負(fù)載時(shí)，C3為輸出端濾波電容。D1為保護(hù)二極管，當(dāng)C3充滿電荷，而輸入端對地短路時(shí)，可避免C3向LP2950-5.0放電而損壞穩(wěn)壓器。正常工作時(shí)，Uo經(jīng)過D2對C4充電;在斷電時(shí)，利用C4兩端提供的電壓能使DSl809有足夠的時(shí)間將滑動(dòng)端位置存儲(chǔ)下來。D2采用BAT54型(0.2 A/30V)肖特基二極管。DS1809的滑動(dòng)端(RW)與高端(RH)互相短接，作可調(diào)電阻器使用。S1、S2為手動(dòng)按鍵，每按下一次S1時(shí)，DS1809的輸出電阻值就遞增R/64，使Uo減小7.8mV。S2的作用與之相反。

　　輸出電壓的表達(dá)式為　　

 　　式中：UREF為反饋端內(nèi)部電壓比較器的1.235 V基準(zhǔn)電壓。

　　輸出電壓的最大值Uo(max)和最小值Uo(min)取決于R1、R2和R。只要給定Uo(max)、Uo(min)值，利用式(4)即可求出所需要的R1、R2值。

　　舉例說明：當(dāng)DS1809的總電阻值R=lO kΩ，滑動(dòng)端移到低端位置(RL)位置時(shí)，RDCP=0，Uo=Uo(max)=+5.5 V;當(dāng)滑動(dòng)端移到高端位置(RH)時(shí)，即RDCP=R=10kΩ時(shí)，Uo=Uo(min)=+5.OV。分別代入式(2)中，得到　

 　　從式(3)和式(4)組成的聯(lián)立方程中可解出，R1=233.90kΩ，R2=66.75 kΩ。實(shí)際可選R1=220kΩ、R2=68kΩ的標(biāo)稱電阻，電阻功率均為0.125 W。

　　利用上述方法，還可獲得更寬的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍，例如，可設(shè)Uo=+4.5~5.5V，調(diào)節(jié)范圍為1 V，步進(jìn)量為15.6mV，計(jì)算結(jié)果為R1=101.1 kΩ，R2=283 kΩ?？扇?biāo)稱值Rl=100 kΩ，R2=27 kΩ。若DS1809的總阻值R=50 kΩ，要求Uo=+3.0～5.5V，調(diào)節(jié)范圍為2.5V，步進(jìn)量為39mV。不難算出，R1=119.5kΩ，R2=33.6kΩ。可取標(biāo)稱值R1=120kΩ，R2=33 kΩ。

　　上述公式均未考慮DSl809的滑動(dòng)端電阻RW，其典型值為400 Ω。必要時(shí)可將RDCP值與RW相加，再對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。操作時(shí)即使不慎將S1或S2按下，Uo只能改變很小的數(shù)值，也不會(huì)超出規(guī)定范圍。

　　3可編程開關(guān)式穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)

　　LM2576系列產(chǎn)品是美國摩托羅拉(Motorola)公司、國家半導(dǎo)體公司(NSC)推出的高效率大電流輸出的降壓式開關(guān)式穩(wěn)壓器。LM2576系列主要包括3.3V、5 V、12 V、15 V和可調(diào)式共5種規(guī)格。最高輸入電壓為40V，最大輸出電流為3A。采用脈寬調(diào)制(PWM)控制方式，最大占空比可達(dá)98%，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)75%～88%。它具有關(guān)斷功能，可使穩(wěn)壓器進(jìn)入低功耗待機(jī)模式，待機(jī)電流儀為80μA。還具有完善的保護(hù)電路，包括過電流保護(hù)及過熱保護(hù)。

　　由數(shù)字電位器和LM2576-ADJ構(gòu)成可編程開關(guān)穩(wěn)壓器的電路如圖5所示?，F(xiàn)利用10kΩ數(shù)字電位器DCP來代替R2，改變RDCP值即可設(shè)定穩(wěn)壓器的輸出電壓值。例如，當(dāng)R2=RDCP=7.76 kΩ、R1=2.OkΩ時(shí)，Uo=6.00V。該電路的Uo可在+1.23～6V范圍內(nèi)變化?！　?/p>

　　4 結(jié)語

　　數(shù)字電位器是采用CMOS 工藝制成的數(shù)字-模擬混合信號(hào)處理集成電路，具有使用靈活、調(diào)節(jié)精度高、無觸點(diǎn)、低噪聲，不易污損、抗振動(dòng)、抗干擾、體積小、壽命長等顯著優(yōu)點(diǎn)，可在許多領(lǐng)域取代機(jī)械式電位器，構(gòu)成各種可編程線性穩(wěn)壓電源，實(shí)現(xiàn)數(shù)控穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)。