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Design of an Adjustable Voltage Output Using a Push-Button Digital Potentiometer 作者：Thomas Brand，ADI 現場應用工程師 問題： 如何使用數字電位器來產生可調電壓輸出？ 答案： 使用按鈕式數字電位器。 本文介紹一款利用按鈕式數字電位器簡單高效地控制高達20 V電壓的完整解決方案。這款完整的解決方案提供一種可調電源，可用于需要可調電壓輸出的各種應用。圖1顯示具有可變輸出功率的相應開關穩壓器，使用AD5116數字電位器和具有集成式推挽輸出級的ADCMP371比較器。通過添加開關，而不是按鈕，可以使用微控制器來調節電壓。 AD5116具有64個可用的游標位置，端到端電阻容差為±8%。此外，AD5116包含一個EEPROM來存儲游標位置，可通過按鈕手動設置。對于需要固定標準上電電壓的應用，這個功能非常有用。 該電路由電壓VIN供電，最高可達20 V。AD5116和ADCMP371的電源電壓VDD也可由VIN生成，例如，通過ADP121等穩壓器。 
圖1.帶可變輸出、通過按鈕控制的高壓開關穩壓器。 電路工作原理 輸出電壓VOUT通過反饋網絡的開關頻率控制。通過分壓器反饋到比較器，然后與數字電位器設置的基準電壓進行比較。如果從VOUT獲取的電壓高于基準電壓，比較器輸出切換到低電平，以阻隔NMOS晶體管T1和PMOS晶體管T2，從而降低VOUT。如果從VOUT獲取的電壓低于基準電壓，比較器輸出切換到高電平，兩個晶體管切換到導通狀態（飽和），從而增加VOUT。通過這種基于比較的功能，晶體管在開啟/關斷模式下以短脈沖工作，使各晶體管保持低損耗。除電位器的輸出電壓外，開關頻率還受VOUT的負載影響。 隨著數模轉換器(DAC)輸出電壓增高，T2關斷的時間變長，比較器輸出相應增高。比較器輸出提供一系列更高頻率、速度更快的正電源輸出脈沖。如果DAC輸出電壓降低，則情況相反。 經過濾波的VOUT通過公式1確定。
VW為電位器抽頭W處的DAC輸出電壓。 AD5116的A抽頭和B抽頭之間的電阻標稱值為5 kΩ，劃分為64級階躍。在量程的較低端，典型游標電阻RW降至45 Ω到70 Ω之間。相對于GND的VW輸出電壓為：
其中RWB為：
RWB是抽頭W和較低端的GND之間的電阻值。 RAB為電位器的總電阻。 VA為分壓器串頂端的電壓；在本例中，它等于VDD。 D為AD5116的RDAC寄存器中二進制代碼的十進制等效值。 AD5116的RDAC寄存器通過按鈕PD和PU進行控制。默認的上電位置（例如VOUT = 0 V）可以通過ASE引腳存儲在電位器的EEPROM中。 濾波器輸出：減少紋波 為了獲得平穩的輸出電壓VOUT并減少開關T1和T2導致的紋波，需要使用額外的濾波器電路（參見圖2）。在設計此濾波器時，需考慮AD5116的最大和最小開關頻率，以及其工作電壓范圍。 對于圖2所示的電路，開關頻率范圍約為1.8 Hz至500 Hz。因為這個值相當低，所以在確定濾波器的截止頻率時，通常需要使用更大的R、L和C值。但是，濾波器的串聯電阻和輸出負載構成了一個分壓器，會降低輸出電壓。所以，在選擇R值時，應選擇相對較低的值。 該電路采用了一個簡單的RLC低通濾波器。R和C分別為50 Ω和330 μF，L為100 nH。該電路在構建時，也可以選擇使用脈寬調制器(PWM)來驅動晶體管和上游的誤差放大器。 參考資料 CN-0405：帶按鈕控制的高壓輸出DAC。ADI公司，2017年3月。
圖2.用于使輸出電壓平穩的濾波器電路 作者簡介 Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司，當時他還在攻讀碩士。畢業后，他參加了ADI公司的培訓生項目。2017年，他成為一名現場應用工程師。Thomas為中歐的大型工業客戶提供支持，并專注于工業以太網領域。他畢業于德國莫斯巴赫的聯合教育大學電氣工程專業，之后在德國康斯坦茨應用科學大學獲得國際銷售碩士學位。聯系方式：thomas.brand@analog.com。 |
