連接/參考器件

評估和設(shè)計支持

電路評估板

CN-0405電路評估板(EVAL-CN0405-EB1Z)

設(shè)計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路提供了一種利用按鈕控制數(shù)字電位計取代傳統(tǒng)高壓機械電位計的完整解決方案。

在該電路中，低壓數(shù)字電位計通過簡單的按鈕式開關(guān)控制電池或其他來源提供的最高20 V高壓源，簡便易用，電源效率極佳。數(shù)字電位計AD5116提供64個游標(biāo)位置，端到端電阻容差為±8%，適合各類調(diào)整應(yīng)用。

此外，AD5116內(nèi)置一個EEPROM，可通過一個按鈕將游標(biāo)位置手動保存到所需位置。此特性在需要默認(rèn)上電位置的應(yīng)用中很有用。

圖1.高壓DAC電路（原理示意圖：未顯示所有元件、連接和去耦）

電路描述

圖1所示電路是一個簡單的高壓可變輸出開關(guān)控制器，采用64位數(shù)字電位計AD5116和比較器ADCMP371。該比較器有一個推挽輸出級，功耗很低，適合電池供電的便攜式設(shè)備使用。

該電路完全由VIN源供電，接受最高20 V的輸入電壓。來自分壓器R1和R2的電壓通過一個30 μA、低靜態(tài)電流、低壓差線性穩(wěn)壓器ADP121調(diào)節(jié)到3.3 V。經(jīng)調(diào)節(jié)的3.3 V源將VDD電壓供應(yīng)給數(shù)字電位計AD5116和比較器ADCMP371。

電路工作原理

該電路是一種開關(guān)模式電源，其輸出電壓通過控制反饋網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)。

輸出電壓VOUT由反饋比較器控制，比較器將R4和R5分壓輸出電壓與產(chǎn)生自數(shù)字電位計AD5116游標(biāo)的基準(zhǔn)電壓進行比較。比較器輸出驅(qū)動NMOS晶體管Q1，后者進而驅(qū)動串聯(lián)PMOS調(diào)整管Q2。負(fù)反饋引起Q2導(dǎo)通和關(guān)斷，迫使比較器IN?引腳上的平均電壓等于IN+引腳上的電壓。Q1和Q2要么導(dǎo)通，要么關(guān)斷，故其功耗非常小。

當(dāng)Q1晶體管導(dǎo)通時（飽和區(qū)），其上的壓降最??；當(dāng)其關(guān)斷時（截止區(qū)），電源路徑中幾乎無電流。開關(guān)頻率取決于AD5116數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的輸出電壓。

當(dāng)DAC輸出為低電壓時，Q2在大部分時間內(nèi)必定是斷開的，故而比較器輸出在大部分時間內(nèi)必定為低電平。在這些條件下，比較器輸出是一系列較短的趨正低頻脈沖。

當(dāng)DAC輸出電壓提高時，Q2閉合的時間會更長，故而比較器輸出為高電平的時間也會更長。在這些條件下，比較器輸出是一系列速度更快、頻率更高的趨正輸出脈沖。如果DAC輸出電壓降低，則情況相反。

無論DAC輸出電壓如何提高或降低，負(fù)反饋都會迫使比較器輸入的平均值相等。

濾波器輸出電壓VOUT通過以下公式確定：

(1)

其中VW為游標(biāo)端W處的DAC輸出電壓。

數(shù)字電位計AD5116在游標(biāo)到B端上產(chǎn)生一個與VDD電壓成比例的分壓。A端和B端之間的電阻標(biāo)稱值為5 k?，劃分為64抽頭。在量程的較低端，典型游標(biāo)電阻RW降至45 ?到70 ?之間的值。相對于GND的VW輸出電壓為：

(2)

(3)

其中：

RWB為底部量程的游標(biāo)電阻。

RAB為端到端電阻。

VA為分壓器串頂部的電壓，等于VDD。

D為RDAC寄存器中的二進制代碼的十進制等效值。

RDAC寄存器通過PD和PU按鈕來控制。當(dāng)確定所需的游標(biāo)位置時，可以通過按鈕將其存儲到EEPROM存儲器中，設(shè)置為上電時的默認(rèn)位置。

濾波部分

為產(chǎn)生恒定直流電壓并降低輸入端切換引起的輸出紋波電壓，還需要一個濾波電路。

決定濾波器設(shè)計的關(guān)鍵是確定最大和最小開關(guān)頻率，并定義紋波考慮因素和DAC工作電壓范圍。

當(dāng)旁路濾波器模塊時（JP1短路、C10未插入），零電平和滿量程兩種情況下電路的未濾波輸出波形分別如圖2和圖3所示。

圖2.低壓時的VOUT，400 ms/div，1.8 Hz

圖3.高壓時的VOUT（交流耦合），2 ms/div，500 Hz

如圖2和圖3所示，電路的工作開關(guān)頻率范圍是從約1.8 Hz（低端）到500 Hz（高端）。進入輸出波形的開關(guān)紋波瞬變可通過電路濾波器模塊部分中的簡單濾波器設(shè)計濾除。

元件值取決于濾波器的截止頻率。由于開關(guān)頻率相當(dāng)?shù)?，所以對于較低截止頻率，需要相對較大的R、L和C值。然而，濾波器的串聯(lián)電阻會與輸出負(fù)載一起形成一個分壓器，這可能會降低輸出電壓。因此，R值必須相對較小。濾波器設(shè)計元件可根據(jù)應(yīng)用類型和負(fù)載要求加以更改。

該電路采用一個簡單的RLC低通濾波器來濾除輸出波形。R8和C10分別為50 Ω電阻和330 μF電容，L1為100 nH電感，由這些元件構(gòu)成RLC濾波器。

高壓輸出和低壓輸出兩種情況下的濾波輸出波形分別如圖4和圖5所示。

圖4.高阻抗負(fù)載下的濾波VOUT（高壓）

圖5.1 kΩ負(fù)載下的濾波VOUT（低壓）

濾波輸出顯示，紋波電壓約為100 mV p-p。注意峰峰值紋波電壓對所有代碼都相同，不受輸出端連接的負(fù)載影響。本電路使用的晶體管為IRF9630S晶體管，不過也可以用其他規(guī)格相同但IDSS低得多的晶體管進行代替。

測試數(shù)據(jù)與結(jié)果

圖6至圖9顯示了VOUT (rms)與DAC碼的關(guān)系。執(zhí)行這些測試時，輸出端RLC濾波器采用圖1所示的值（50 ?、330 nH和330 μF）。

圖6顯示在空載情況下，當(dāng)代碼超過56時，輸出電壓即受限，此時比較器輸入接近其輸入共模電壓限值。

圖6.輸出電壓和誤差與十進制碼的關(guān)系（VIN = 20 V，高阻抗負(fù)載），滿量程DAC范圍

圖7顯示從代碼10到代碼54，輸出有±5%的誤差。代碼較低時的高百分比誤差（參見圖6）是由串聯(lián)側(cè)晶體管Q2的高失調(diào)電壓引起的。

圖7.輸出電壓和誤差與十進制碼的關(guān)系（VIN = 20 V，高阻抗負(fù)載），DAC在線性工作范圍內(nèi)

50 Ω串聯(lián)電阻與負(fù)載形成一個分壓器。負(fù)載為1 k?時，輸出電壓以19.01 V為限，如圖8所示。

圖8.輸出電壓和誤差與十進制碼的關(guān)系（VIN = 20 V，RL = 1 k?），滿量程DAC范圍

圖9顯示輸出負(fù)載為1 k?且在代碼10到代碼54的線性工作范圍內(nèi)的響應(yīng)。

圖9.輸出電壓和誤差與十進制碼的關(guān)系（VIN = 20 V，RL = 1 k?），DAC在線性工作范圍內(nèi)

常見變化

利用脈寬調(diào)制器(PWM)控制串聯(lián)調(diào)整管的開關(guān)時間比，可以增強電路性能并簡化濾波。比較器也可以用控制PWM的誤差放大器代替?？刹捎玫虸DSS的功率晶體管來使輸出端紋波失調(diào)電壓最小。利用PWM控制器可實現(xiàn)更精密的輸出電壓調(diào)整。

該電路也可利用輸出可調(diào)的降壓轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，例如ADP2441。AD5116用作分壓器，為降壓轉(zhuǎn)換器的反饋引腳供電。然而，輸出電壓必須衰減4倍，以將AD5116驅(qū)動電壓限制在5 V。

電路評估與測試

利用如下設(shè)備評估本電路。

設(shè)備要求

● 需要使用以下設(shè)備：

● EVAL-CN0405-EB1Z電路評估板

● Agilent E36311A雙直流電源（或等效設(shè)備）

● Agilent 3458A萬用表（或等效設(shè)備）

● 示波器

測試設(shè)置功能框圖

圖10所示為測試設(shè)置的功能框圖。

圖10.測試設(shè)置功能框圖

設(shè)置

采用以下步驟評估電路：

1. 對于濾波輸出，用跳線連接P3的引腳1和引腳2連接線。移除JP1跳線連接線。

2. 對于未濾波輸出，用跳線連接P3的引腳2和引腳3連接線。安裝JP1跳線連接線。移除C10。

3. 將P2 (VOUT)連接到示波器/萬用表。

4. 將20 V電源電壓連接到VIN。

5. 按PU或PD按鈕改變輸出電壓。

6. 按按鈕保存上電時需要的輸出電壓。

利用Agilent E3631A電源提供20 V輸入電壓。利用示波器捕捉來自EVAL-CN0405-EB1Z的輸出波形，并利用Agilent 3458A萬用表測量VRMS電壓。

如需獲得EVAL-CN0405-EB1Z板的全套文檔，包括原理圖、布局布線和物料清單，請參閱CN-0405設(shè)計支持包(www.analog.com/CN0405-DesignSupport)。

圖11顯示了電路板的實物照片。

圖11.EVAL-CN0405-EB1Z板照片