通過微調電源中的輸出電壓，可以消除電源路徑中的容差和壓降，驗證系統限值下的運行，或為微處理器實現簡單的動態電壓控制。本文探討了調整開關模式電源（SMPS）的幾種選擇，并提出了一種使用帶有數字電位計的開關穩壓器作為反饋控制元件的解決方案，重點介紹了設計問題及其解決方法。最后，介紹了AD5141單通道、非易失性digiPOT，作為克服本應用中常見限制的簡單方法。

在大電流系統中，開關模式電源穩壓器的效率高于線性穩壓器，對于高于100 μA的電流，典型效率大于90%。

在低壓差（LDO）穩壓器中，效率取決于靜態電流（Iq）和正向壓降，靜態電流越高，效率越低，如公式1所示。

當今的LDO具有相當低的靜態電流，因此如果Iq與I 相比非常小，則可以忽略不計負荷.然后，LDO效率為（V外/V在） ×100。由于LDO無法存儲大量未使用的能量，因此未輸送到負載的功率在LDO內以熱量的形式消散。典型的LDO效率低于83%。

憑借較低的損耗，開關穩壓器正在取代需要高電流或動態負載的 ATE、FPGA 和儀器儀表等應用中的線性穩壓器。

在極端條件下表征系統性能時，系統設計人員通常需要調整電源電壓，以優化其電平或迫使其遠離標稱值。此功能通常在在線測試（ICT）期間執行，例如，當制造商希望保證產品在標稱電源±10%時正常工作時。

此過程稱為裕量調節，通過故意在預期范圍內改變電源電壓來完成。此外，微調輸出電壓的能力使得補償電源容差和電源路徑中的壓降成為可能。

其他應用，如微處理器的動態電壓控制，必須能夠動態改變電壓，在低功耗模式下降低電壓，在高性能模式下增加電壓。

SMPS的工作方式與LDO類似，如圖1所示。將輸出電壓與內部基準進行比較，差值連接到脈寬調制器。

圖1.開關電源電壓控制環路。

脈寬調制器將斜坡與放大器輸出進行比較，并生成PWM信號，控制向負載輸送能量的開關。

可通過控制反相放大器引腳上的電壓來調節輸出電壓。

這可以在外部使用DAC或數字電位計完成。一些穩壓器允許使用串行接口（如PMBUS、I2C 或 SPI。表1比較了這三種方法的調節能力和功耗。

一些數字電位計提供非易失性存儲器，因此可以在測試中對輸出電源進行編程。與其他兩種方法相比，這種易于使用的功能提供了實質性的好處。

線性化傳遞方程

公式2描述了基于反饋電阻R之比的SMPS輸出電壓1和 R2,

其中 V反饋是內部基準電壓。

在直接替換 R 之前1和 R2對于數字電位計，應考慮一些問題。數字電位計內部有兩個電阻串，R嗖嗖和 R工 務 局.

兩個串電阻器是互補的，

其中 R血型是端到端電阻或標稱值。

替換 R1和 R2與 R嗖嗖和 R工 務 局產生對數傳遞函數。數字碼和輸出電壓之間的非線性關系降低了低端分辨率。圖2所示為16抽頭數字電位計的示例。

圖2.對數傳遞函數。

這個問題可以通過多種方式克服;更常見的是在變阻器模式下使用數字電位計，或將電阻與電位計串聯。

最小化公差

由于電阻容差，將數字電位計與外部電阻結合使用可能會導致失配問題。精密器件可能具有1%的電阻容差，但絕大多數數字電位計只能實現20%的電阻容差。

在這種情況下，通過使用串聯/并聯電阻組合可以減少失配，如圖3和圖4所示。缺點是動態范圍也會減小。

圖3.變阻器和串行電阻器。

圖4.電位計模式。

在變阻器模式下，串聯電阻必須足夠高，以使數字電位計的容差可以忽略不計，即R2≥ 10 × R血型.在電位計模式下，并聯電阻必須足夠小，即

。

使用串并聯組合對電位計進行線性化可能相當復雜，如圖5的等效電路所示。

圖5.最終 Y ?變換。

哪里：

反饋輸入引腳通常具有高阻抗，因此R的影響6可以忽略不計。

增加帶寬

開關穩壓器工作頻率較高，通常高于1 MHz，允許使用小型外部元件。在最壞的情況下，它必須為動態負載供電，因此反饋電阻網絡必須提供足夠的帶寬來精確跟蹤輸出電壓。由于內部寄生開關電容，數字電位計充當低通濾波器。

如果反饋網絡沒有足夠的帶寬，輸出電壓將振蕩，如圖6所示。

圖6.分立反饋電阻與帶寬有限的數字電位計的比較。

克服這一限制的一種簡單方法是在輸出和反饋網絡之間并聯放置一個電容（如圖7所示），從而降低高頻阻抗并最小化振蕩時間。

圖7.并聯電容降低了高頻阻抗，最大限度地減少了振蕩。

不折不扣的更簡單的解決方案

ADI公司的新型AD5141 digiPOT克服了其他數字電位計帶來的問題。其獲得專利的線性增益設置模式允許獨立控制每個串電阻器，因此

啟用此模式后，無需外部電阻。電阻容差可以忽略不計，傳遞函數的總誤差僅由內部串不匹配引起，通常小于1%。

每個串電阻都有一個相關的EEPROM位置，因此可以在上電時為每個串加載一個獨立的值。此外，該器件還提供高達3 MHz的帶寬，以實現快速反饋環路，如圖8所示。

圖8.AD5141 （10 kΩ）版本，線性增益設置模式。

結論

開關模式電源穩壓器因其高效率而常用于大電流應用。本文介紹了幾種可用于數字控制輸出電壓的方法。

由于在預定義的輸出狀態下為系統上電可以獲得固有的優勢，因此需要使用具有內部非易失性存儲器的數字電位計的解決方案。設計人員面臨的主要權衡包括提供足夠的分辨率、精度和帶寬以實現出色的性能。AD5141 digiPOT使設計人員能夠毫不妥協地提供最佳解決方案。

審核編輯：郭婷