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      數字電位器在DC-DC變換器中的應用

      發布時間:2011-12-26

      中心議題:
      • 數字電位器在DC-DC變換器中的應用
      • 降壓型DC-DC變換器
      • 升壓型DC-DC變換器
      解決方案:
      • DC-DC變換器采用電流模式PWM控制器
      • 用控制MSO管的開關來調節等值電阻的位置

      1 引言

      數字電位器(DCP)是數控電阻大小的器件,數控的接口方式有直接按鍵方式、三線接口方式(選片線、方向線、脈沖線)、SPI接口方式和I2C接口方式。通常用于校準系統精度和控制系統參數的大小。

      2 脈寬調制模式

      早上20世紀60年代,電源的開關調節首先應用在軍用電源的設計中。它的優勢在于重量輕和效率高,可以控制均衡電量的加載,就是控制均衡電壓的供給,通過高速動作的開關量的開和關來實現。如圖1所示,加載到電阻器上的平均電壓Vo(avg)=(ton/T)×Vi,這種控制方法就稱為脈寬調制模式。本文概述在二種類型DC-DC變換器中數字電位器的應用,包括如何調節反饋電阻來獲得輸出電壓。


      3 降壓型DC-DC變換器

      圖2所示為降壓型DC-DC變換器的典型電路,當控制器IC感應到輸出電壓Vo太低時,啟動通道上的晶體管Q給電感器L充電,同時也對電容器C充電,當輸出電壓V0上升到一個預定值時,控制器關閉通道上的晶體管Q,電感器L和電容器C上獲取的能量通過肖特基二極管構成的回路自由釋放,從電感器L到電容器C進行有效的能量傳輸會消耗一部分能量,因此加載在負載上的電壓有所下降。

      以TI公司的TPS62000型電路為例,如圖3所示,它是低噪聲同步降壓型DC-DC變換器,內部采用電流模式PWM控制器,工作頻率典型值為750kHz。在關閉模式下,電流損耗可降低到1μA,非常適合于1節鋰離子電池、2節到3節鎳鉻、鎳氫電池或堿性電池。2節電池供電時,輸出最大電流為200mA;3節電池供電時,輸出最大電流為600mA。


       
      TPS62000DGS的輸出電壓可調,通過調整反饋引腳FB的電壓值來達到輸出電壓V0的變化,采用數字電位器來調節反饋引腳FB的電壓。在圖3中,H為數字電位器可調電阻器的高電壓端,L為數字電位器可調電阻器的低電壓端,W為數字電位器滑動電壓輸出端。輸出電壓的計算公式為V0=0.45V×(1+RH/RL),其中要求RH+RL≤1MΩ,每次調接的電阻值為1kΩ。3線接口可設計成單片機控制或按鍵直接控制(外擴邏輯電路),在減小數字電位器RL的阻值時,輸出電壓V0會增加。由于該器件是DC-DC降壓器件,因此輸出電壓V0最大值為輸入電壓VI。

      當數字電位器調節到RH=82kΩ,RL=18kΩ時,輸出電壓;

      Vo=0.45×(1+82kΩ/18kΩ)=2.5V;

      當數字電位器調節到RH=85kΩ,RL=15kΩ時,輸出電壓

      Vo=0.45V×(1+85kΩ×15/kΩ)=3.0V。
      [page]
      4 升壓型DC-DC變換器

      圖4所示為升壓型DC-DC變換器的典型電路,通過控制器IC延長啟動晶體管的時間,以增加電感器的峰值電流來達到升壓目的。傳輸作用的計算公式為

      Vo=VIN[T/(T-ton)]

      式中,T為晶體管啟動和關閉的周期;t(on)是晶體管啟動的周期。


       
      以TI公司的TPS61030型電路為例,如圖5所示,該電路是效率高達96%的同步升壓變換器。非常適合于1節鋰離子或鋰聚合物電池、2節到3節堿性電池、鎳鉻或鎳氫電池,變換產生固定輸出電壓或可調輸出電壓,輸出電壓的調節通過數字電位器調節反饋引腳FB的電壓獲得。在輸入電壓最低為1.8V時,輸出電壓為5V,輸出電流最大為1A。升壓基于一個固定頻率PWM控制器同步開關整流獲取高效率。具有關閉電源和過熱保護功能。在圖5中,H為數字電位器可調電阻器的高電壓端,L為數字電位器可調電阻器的低電壓端,W為數字電位器滑動電壓輸出端。反饋引腳FB的電壓典型值為500mA,最大允許輸出電壓為5.5V。輸出電壓的計算公式為Vo=0.5V×(1+RH/RL)。另外,該電路內含電壓基準0.5V的電池電壓比較器,輸入引腳LBI的電壓通過電池電壓分壓獲得,分壓電阻器R1和R2也可以采用數字電位器調節。

      以Xicor公司的3線接口(CS、U/D、INC)、100抽頭X9C104S型電路為例,它的電位器阻值為100kΩ,每次調節的電阻值為1kΩ。3線接口可設計成單片機控制或按鍵直接控制(外擴邏輯電路),在減小數字電位器RL的阻值時,輸出電壓V0會增加。由于該電路是DC-DC升壓型器件,因此輸出電壓V0最小為輸入電壓VI。



      5 小結

      數字電位器的內部結構如圖6所示,它用控制MSO管的開關來調節滑動端VW在VH和VL之間多個等值電阻的位置,抽頭數越多,等值電阻越多。調整的范圍越寬,對DC-DC變換器的輸出電壓調整幅度越小。


       
      數字電位器的優點是調整的精確度高于機械電位器,缺點是線性度有機械電位器好。另外,機械電位器有觸點,滑動端長期滑動出現接觸問題。而數字電位器沒有觸點,因而使用壽命和可靠性優于機械電位器。
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