很多系統應用都必須在較窄的限幅內調整開關電源(SMpS)輸出電壓，以便移除電源路徑上的誤差和壓降、驗證系統限幅的運作，或者實現微處理器的簡單動態電壓控制。此外，系統設計人員可能要調整電源電壓，從而優化它們的電平，或者通過強制出現非正常電平來測試系統在極端條件下的性能。該功能通常在在線測試(ICT)期間執行，以滿足制造商想要保證產品在標稱電源的±10%范圍內正常工作的期望。這種輸出電壓的變化步驟稱為裕量，即有意識地在預期范圍內改變電源電壓。其他輸出變化應用，比如微處理器的動態電壓控制，必須能即時改變電壓，即在低功耗模式下降低電壓而在高性能模式下新增電壓。圖1.開關電源電壓控制環路的反饋網絡采用兩個電阻

將典型開關電源輸出電壓(圖1)與內部基準電壓進行比較，可看到差別集中在脈寬調制器(pWM)。pWM將斜坡與放大器輸出進行比較，生成pWM信號來控制開關，從而向負載供電。

圖2.使用數字電位計調整DC-DC轉換器輸出電壓，組成可變反饋電阻

控制誤差放大器引腳電壓，便可調整輸出電壓。這可以通過使用DAC，或者使用數字電位計，以外部方式實現，如圖2所示。某些電壓調節器允許使用串行接口(比如pMBus、I2C或SpI)在內部控制反饋電壓。表1比較了三種方法的調整能力和功耗。

數字電位計(或稱digipOT)工作方式與傳統電位計相似，但用電子開關和數字信號代替機械游標進行操作，如圖3所示。digipOT將一串小數值電阻與位于每兩個電阻交叉點上的電子開關串聯。digipOT分辨率與電阻網絡中的位控制節點量有關。控制節點的數量越高，分辨率越高。

圖3.顯示電子開關的64位數字電位計。同一時間只能閉合一個電子開關，該開關決定電阻比。

某些數字電位計采用非易失性存儲器，因此可在測試期間編程輸出電源。相比其他兩種方式，這項易于使用的特性具有極大的優勢。

線性化傳遞函數

反饋電阻R1和R2的比值決定了開關電源輸出電壓。

其中：

VFB=內部基準電壓

VOUT=輸出電壓

R1=連接輸出的反饋電阻

R2=接地反饋電阻

以數字電位計代替R1和R2時，需考慮一些問題。數字電位計內部有兩個電阻串(RAW和RWB)，如圖4所示。

圖4.數字電位計電阻命名法

兩串電阻互補。

其中：

RAB=端到端電阻或標稱值

以RAW和RWB代替R1和R2可實現對數傳遞函數。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5顯示了這個取自數字電位計的對數傳遞函數。

圖5.以數字電位計代替反饋電阻后得到的對數傳遞函數

圖6.在可變電阻模式下使用數字電位計

有多種方法可以克服此分辨率問題。比較常用的方法是在可變電阻模式下使用數字電位計(如圖6所示);或者將電阻與電位計串聯(如圖7所示)。

圖7.在電位計模式下線性化

最小化誤差

由于電阻公差，將數字電位計與外部電阻一同使用可能導致失配問題。精密器件可能具有1%的電阻公差，但大部分數字電位計只能達到20%的電阻公差。

這種情況下，可通過串并聯電阻組合減少失配(如圖8和圖9所示);其缺點是動態范圍也會縮小。

圖8.可變電阻和串聯電阻

圖9.電位計模式

在可變電阻模式下，串聯電阻必須足夠高，才能忽略數字電位計的公差，即R2≥10RAB。在電位計模式下，并聯電阻必須足夠小，即R3≤RAB/10。

使用串并聯組合對電位計進行線性化可能十分復雜，如圖10中的等效電路所示。

圖10.最終Y-Δ變換

其中：

反饋輸入引腳通常具有較高的阻抗，因此R6的影響可以忽略。

開關調節器工作在較高頻率下(通常高于1MHz)，因而允許使用小數值外部元件。在最差情況下，它必須為動態負載供電，因此反饋電阻網絡必須供應足夠的帶寬，才能精確跟蹤輸出電壓。由于存在寄生內部開關電容，數字電位計可用作低通濾波器，如圖11所示。假如反饋網絡無法供應足夠的帶寬，則輸出電壓可能振蕩。

圖11.假如反饋電阻網絡無法供應足夠的帶寬來精確跟蹤輸出電壓，則雜散電容導致的寄生效應可能帶來麻煩。

克服這一限制的一種簡單方法，是將一個電容并聯放置在輸出與反饋網絡之間(如圖12所示)，以便降低高頻阻抗，并最大程度地縮短振蕩時間。

圖12.并聯電容降低高頻阻抗，最大程度地減少振蕩

更簡單的解決方法

ADI公司的AD5141digipOT克服了其他數字電位計的某些問題。它供應：

●非易失性256位調整

●10k和100k電阻選項

●8%最大電阻公差

●±6mA游標電流

●35ppm/°C溫度系數

●3MHz帶寬

●<75μS啟動時間

●線性增益設置模式

●單電源及雙電源供電

●1.8V至5.5V獨立邏輯電源

●-40°C至+125°C工作溫度

●3mm3mmLFCSp封裝

●4kVESD保護

圖13.AD5141功能框圖

AD5141(圖13)可作為真可變電阻使用，用于處理端電壓范圍為VSS

低電阻公差和低標稱溫度系數簡化了開環應用和要公差匹配的應用。

AD5141的重要優勢是采用了最新的專利功能，稱為“線性增益設置模式”。該模式允許對數字電位計端子RAW和RWB兩串電阻之間的電阻值獨立編程，使得：

采用這種模式，則無需通過外部電阻實現線性開關電源電壓調整;另外，電阻公差也可以忽略了，同時傳遞函數總誤差僅與內部電阻串失配有關，而后者通常不足1%，并具有低溫漂特性。

每一個電阻串都有一個對應的EEpROM位置，因此上電時可載入每一個電阻串的獨立值。此外，器件還為快速反饋環路供應了高達3MHz的帶寬。

寬帶寬和低總諧波失真(THD)確保關于交流信號具有最佳性能，適合濾波器設計。在電阻陣列末端的游標電阻低至40，允許進行引腳到引腳連接。

游標電阻值可通過一個SpI/I2C兼容數字接口設置，也可利用該接口回讀游標寄存器和EEpROM內容。

可利用I2C或SpI接口(使用DIS引腳便可通過硬件來加以選擇)設置任意位，實現針對RDAC寄存器的編程。找到所需的游標位置后，可以將該值存儲在EEpROM存儲器中。以后上電時游標位置始終會恢復到該位置。存儲EEpROM數據大約要18ms;在這段時間內，器件會鎖定并不會應答任何新命令，因而可防止出現任何更改。快速啟動時間(<75μS)保證了完成電源序列后可快速刷新寄存器。