O 引言

　　可調(diào)" title="可調(diào)">可調(diào)式線性穩(wěn)壓器" title="線性穩(wěn)壓器">線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器都是通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)電阻值來(lái)改變輸出電壓的,，不僅調(diào)節(jié)精度低，而且使用不夠方便,。數(shù)字電位器" title="數(shù)字電位器">數(shù)字電位器(Digital Polentiometer)亦稱數(shù)控電阻器(Digitally con-trolled Potentiometers),，可簡(jiǎn)稱為DCP。利用數(shù)字電位器代替可凋電阻,，可構(gòu)成由計(jì)算機(jī)控制的可編程" title="可編程">可編程穩(wěn)壓器,。

　　l 可編程線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)

　　1.1 三端可調(diào)式線性穩(wěn)壓器的基本應(yīng)用

　　三端可調(diào)式線性穩(wěn)壓器屬于第二代二端線性穩(wěn)壓器。它既保留了第一代三端同定式線性穩(wěn)壓器7800,、7900系列產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),，又克服了電壓不可調(diào)整的缺點(diǎn)，并且在電壓穩(wěn)定度上比前者提高了一個(gè)數(shù)量級(jí),。適合制作實(shí)驗(yàn)室電源及多種供電方式的直流穩(wěn)壓器,。典型產(chǎn)品有LM317，其主要技術(shù)指標(biāo)為U1=2～40V,，Uo=1.25～37 V,，IOM=1.5A。其電壓調(diào)整率SV=0.02％,，負(fù)載調(diào)整率S1=O.1％,。

　　LM317的基本應(yīng)用電路如圖1所示。R1,、R2為取樣電阻,。LM317的最小負(fù)載電流，IL=5 mA,，若要留出余量,，亦可取IL=10mA。R1的阻值有兩種取法：

　　(1)當(dāng)IL=5mA時(shí),，R1=1.25V/5mA≈240Ω,，此時(shí)R2可選6.8kΩ的可調(diào)電阻,；

　　(2)當(dāng)IL=10mA時(shí)，R1=1.25V/10mA≈120Ω,。

　　R2可選3.4kΩ可調(diào)電阻,。

　　調(diào)整R2時(shí)均可獲得1.25～37V的穩(wěn)壓輸出。C2可濾除R2兩端的紋波,，使之不能經(jīng)放大后從Uo端輸出,。D2為保護(hù)二極管，一旦U1發(fā)生短路故障,，由D2給C2提供泄放回路,，避免C2經(jīng)過(guò)LM317內(nèi)部放電而損壞芯片。C1能防止輸出端產(chǎn)生自激振蕩,。當(dāng)穩(wěn)壓器的輸出端接大容量負(fù)載電容CL時(shí),，D1可起到保護(hù)作用，一旦穩(wěn)壓器的輸入端發(fā)生短路,，CL上積存的電荷便經(jīng)過(guò)D1對(duì)地放電,。輸出電壓的計(jì)算公式為

　　顯然，當(dāng)R2=0時(shí),，Uo=1.25V,；當(dāng)R2/R1=28.6時(shí)，Uo=37V,。該電路的缺點(diǎn)是輸出電壓值必須靠手動(dòng)調(diào)整,，不僅調(diào)整精度低，而且使用不夠方便,。

　　1.2 由數(shù)字電位器和LM317構(gòu)成的可編程線性穩(wěn)壓器

　　1.2.1 電路設(shè)計(jì)方案

　　由數(shù)字電位器和TM317聯(lián)合構(gòu)成可編程線性穩(wěn)壓器時(shí)有3種電路設(shè)計(jì)方案,。第一種方案是用數(shù)字電位器(DCP)來(lái)代替圖1中的R2，電路如圖2(a)所示,。此時(shí)DCP就作為L(zhǎng)M317的調(diào)整電阻,，DCP工作在可調(diào)電阻器模式。設(shè)調(diào)整后的電阻值為RDCP,，單片機(jī)通過(guò)改變RDCF值,，即可設(shè)定穩(wěn)壓器的輸出電壓,。第二種方案是用RDCP同時(shí)代替R1,、R2，這樣可節(jié)省一只電阻元件,，其簡(jiǎn)化電路如圖2(b)所示,，其他部分與圖2(a)相同。第三種方案是將數(shù)字電位器串聯(lián)在R1,、R2中間,，簡(jiǎn)化電路如圖 2(c)所示,，該電路適合在小范圍內(nèi)對(duì)輸出電壓進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。

　　1.2.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)

　　(1)穩(wěn)壓器的電壓調(diào)節(jié)范圍 在用數(shù)字電位器代替可變電阻時(shí),，線性穩(wěn)壓器的調(diào)節(jié)范圍會(huì)變窄,。普通數(shù)字電位器的電源電壓范圍一般為2.5～5.5 V(或3～6V)，典型值為5 V,，因此RDCP上的壓降不得超過(guò)5 V,，此時(shí)Uo的調(diào)整范圍就被限制在l.25～6.25V。如果RDCP上的壓降超過(guò)5V,，就必須采用高壓數(shù)字電位器,，例如MAX5436～MAX5439均屬于高壓數(shù)字電位器。其最高電壓可達(dá)30V,。當(dāng)輸入電捱U1=+25V,、R1=240Ω、RDCP=0～398kΩ時(shí),，輸出電壓Uo可在+1.25～22v范圍內(nèi)變化,。

　　(2)穩(wěn)壓器的空載穩(wěn)壓特性 由數(shù)字電位器構(gòu)成可編程線性穩(wěn)壓器時(shí)，應(yīng)考慮LM317的空載穩(wěn)壓特性,。為使LM317達(dá)到最佳穩(wěn)壓性能,，空載時(shí)的最小負(fù)載電流至少應(yīng)等于5 mA。因此,，應(yīng)選擇最大工作電流為5 mA的數(shù)字電位器,，例如X9313WP型32抽頭數(shù)字電位器。數(shù)寧電位器的阻值選10kΩ為宜,，從中很容易獲得RDCF=6.8kΩ的電阻調(diào)整范圍,。數(shù)字電位器的抽頭數(shù)應(yīng)根據(jù)所要求的電壓分辨力來(lái)選擇。普通數(shù)字電位器的最大工作電流一般儀為1 mA,，無(wú)法承受5 mA的工作電流,。這就要求必須按比例增加RDCP的電阻值，但這會(huì)使穩(wěn)壓性能降低,。其理由如下：LM317的靜態(tài)電流IADJ=50μA,，在正常情況下取IL=5mA時(shí)，IADJ在RDCP上形成的壓降URDCP=IADJRDCP,。將RDCP調(diào)整到1.008 kΩ時(shí),，U。=6.5V,，此時(shí)URDCP=O.05V,，該電壓與IL在RDCP上形成的壓降相疊加，最終僅會(huì)使Uo升高0.05V,。而當(dāng)IL’=IL/5=lmA時(shí),，必須將R1和RDCP的電阻值擴(kuò)大到原來(lái)的5倍,，變成R1’=5R1，RDCP’=5RDCP,；將RDCP’調(diào)整到5.04kΩ時(shí),，Uo=6.5V，此時(shí)IADJ在RDCP’上形成的壓降也擴(kuò)大到5倍,，會(huì)使Uo升高O.25V,。綜上所述，Uo隨RDCP的電阻值而變化是造成穩(wěn)壓性能降低的主要原因,。

　　為使普通數(shù)字電位器也能滿足空載穩(wěn)壓特性的要求,，有以下3種解決方法。

　　(1)將幾只電阻值相同的數(shù)字電位器進(jìn)行并聯(lián),，以擴(kuò)展工作電流,，并聯(lián)后的總電阻值必須符合調(diào)整要求。此方法的缺點(diǎn)是需要使用多個(gè)數(shù)字電位器,，會(huì)造成資源浪費(fèi),。

　　(2)在LM317的輸出端接一只假負(fù)載RL。這種方法的缺點(diǎn)是RL與R1,、RDCP并聯(lián)之后不僅會(huì)降低電源效率,，還改變了調(diào)整RDCP的線性度。

　　(3)更好的方法是采用基準(zhǔn)電壓源,，經(jīng)過(guò)數(shù)字電位器分壓后直接給LM317的ADJ端提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓UBEF,。基準(zhǔn)電壓源具有電壓穩(wěn)定度高,，不受環(huán)境溫度變化的影響,，能通過(guò)外部元件作精細(xì)調(diào)整，獲得高準(zhǔn)確度的電壓值,、使用靈活,、方便等優(yōu)點(diǎn)。由LM336-5.0型5V基準(zhǔn)電壓源,、10kΩ數(shù)字電位器和緩沖器構(gòu)成的可編程線性穩(wěn)壓器電路如圖3所示,。

　　設(shè)計(jì)可編程精密穩(wěn)壓器時(shí)，還應(yīng)考慮數(shù)字電位器滑動(dòng)端電阻,、阻值偏差,、電阻溫度系數(shù)等因素的影響，上述誤差均可通過(guò)軟件進(jìn)行修正,。

　　2 可編程精密低壓差穩(wěn)壓器" title="低壓差穩(wěn)壓器">低壓差穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)

　　在工業(yè)控制領(lǐng)域,，有時(shí)需要提供一個(gè)能在小范圍內(nèi)作精密調(diào)整的高效率,、低壓輸出的數(shù)控線性穩(wěn)壓電源,。利用低壓差穩(wěn)壓器(Low Dropout Regulator,，LD0)，能大大提高電源轉(zhuǎn)換效率,，節(jié)省電能,。由DS1809和低壓差穩(wěn)壓器LP2950-5.O構(gòu)成可編程精密低壓差穩(wěn)壓器的電路如圖4所示。DSl809屬于按鍵式64抽頭非易失性數(shù)字電位器,。LP2950-5.O是美國(guó)SIPEX公司推出的低壓差穩(wěn)壓器,，其輸出電壓為+5v，額定輸出電流為100mA,，特別適合采用電池供電的系統(tǒng),，如手機(jī)、無(wú)線控制系統(tǒng)及筆記本電腦,。LP2950-5.O具有低靜態(tài)電流,、低壓差等特性，在輕載時(shí)的壓差僅為50mV,，輸出100mA電流時(shí)的壓差也只有380mV,。

　　該可編程精密低樂(lè)差穩(wěn)壓器的輸入端接6 V電池。輸出電壓Uo=+5～5.5V,，調(diào)節(jié)范圍是O.5V,。O.5 V被DSl809分為64份，步進(jìn)量為7.8 mV,。DSl809的總電阻值有10kΩ,、50 kΩ和100kΩ三種規(guī)格，可供選擇,。R1,、R2為分壓電阻，它們與DSl809的輸出電阻RDCP一同構(gòu)成分壓器,。分壓器的輸出端接LP2950-5.0的反饋端(FB),，通過(guò)按鍵設(shè)定RDCP的電阻值，即可在規(guī)定范圍內(nèi)精確地調(diào)節(jié)Uo值,。C1為輸入端的退耦電容,。C2用來(lái)濾除Uo中的交流噪聲并改善瞬態(tài)響應(yīng)。當(dāng)輸出端接負(fù)載時(shí),，C3為輸出端濾波電容,。D1為保護(hù)二極管，當(dāng)C3充滿電荷,，而輸入端對(duì)地短路時(shí),，可避免C3向LP2950-5.0放電而損壞穩(wěn)壓器。正常工作時(shí),，Uo經(jīng)過(guò)D2對(duì)C4充電,；在斷電時(shí),，利用C4兩端提供的電壓能使DSl809有足夠的時(shí)間將滑動(dòng)端位置存儲(chǔ)下來(lái)。D2采用BAT54型(0.2 A/30V)肖特基二極管,。DS1809的滑動(dòng)端(RW)與高端(RH)互相短接,，作可調(diào)電阻器使用。S1,、S2為手動(dòng)按鍵,，每按下一次S1時(shí)，DS1809的輸出電阻值就遞增R/64,，使Uo減小7.8mV,。S2的作用與之相反。

　　輸出電壓的表達(dá)式為

　　式中：UREF為反饋端內(nèi)部電壓比較器的1.235 V基準(zhǔn)電壓,。

　　輸出電壓的最大值Uo(max)和最小值Uo(min)取決于R1,、R2和R。只要給定Uo(max),、Uo(min)值,，利用式(4)即可求出所需要的R1、R2值,。

　　舉例說(shuō)明：當(dāng)DS1809的總電阻值R=lO kΩ,，滑動(dòng)端移到低端位置(RL)位置時(shí)，RDCP=0,，Uo=Uo(max)=+5.5 V,；當(dāng)滑動(dòng)端移到高端位置(RH)時(shí)，即RDCP=R=10kΩ時(shí),，Uo=Uo(min)=+5.OV,。分別代入式(2)中，得到

　　從式(3)和式(4)組成的聯(lián)立方程中可解出,，R1=233.90kΩ,，R2=66.75 kΩ。實(shí)際可選R1=220kΩ,、R2=68kΩ的標(biāo)稱電阻,，電阻功率均為0.125 W。

　　利用上述方法,，還可獲得更寬的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍,，例如，可設(shè)Uo=+4.5~5.5V,，調(diào)節(jié)范圍為1 V,，步進(jìn)量為15.6mV，計(jì)算結(jié)果為R1=101.1 kΩ，R2=283 kΩ,?？扇?biāo)稱值Rl=100 kΩ，R2=27 kΩ,。若DS1809的總阻值R=50 kΩ，要求Uo=+3.0～5.5V,，調(diào)節(jié)范圍為2.5V,，步進(jìn)量為39mV。不難算出,，R1=119.5kΩ,，R2=33.6kΩ?？扇?biāo)稱值R1=120kΩ,，R2=33 kΩ。

　　上述公式均未考慮DSl809的滑動(dòng)端電阻RW,，其典型值為400 Ω,。必要時(shí)可將RDCP值與RW相加，再對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正,。操作時(shí)即使不慎將S1或S2按下,，Uo只能改變很小的數(shù)值，也不會(huì)超出規(guī)定范圍,。

　　3 可編程開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)

　　LM2576系列產(chǎn)品是美國(guó)摩托羅拉(Motorola)公司,、國(guó)家半導(dǎo)體公司(NSC)推出的高效率大電流輸出的降壓式開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器。LM2576系列主要包括3.3V,、5 V,、12 V、15 V和可調(diào)式共5種規(guī)格,。最高輸入電壓為40V,，最大輸出電流為3A。采用脈寬調(diào)制(PWM)控制方式,，最大占空比可達(dá)98％,，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)75％～88％。它具有關(guān)斷功能,，可使穩(wěn)壓器進(jìn)入低功耗待機(jī)模式,，待機(jī)電流儀為80μA。還具有完善的保護(hù)電路,，包括過(guò)電流保護(hù)及過(guò)熱保護(hù),。

　　由數(shù)字電位器和LM2576-ADJ構(gòu)成可編程開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的電路如圖5所示。現(xiàn)利用10kΩ數(shù)字電位器DCP來(lái)代替R2，改變RDCP值即可設(shè)定穩(wěn)壓器的輸出電壓值,。例如,，當(dāng)R2=RDCP=7.76 kΩ、R1=2.OkΩ時(shí),，Uo=6.00V,。該電路的Uo可在+1.23～6V范圍內(nèi)變化。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　數(shù)字電位器是采用CMOS 工藝制成的數(shù)字-模擬混合信號(hào)處理集成電路,，具有使用靈活,、調(diào)節(jié)精度高、無(wú)觸點(diǎn),、低噪聲,，不易污損、抗振動(dòng),、抗干擾,、體積小、壽命長(zhǎng)等顯著優(yōu)點(diǎn),，可在許多領(lǐng)域取代機(jī)械式電位器,，構(gòu)成各種可編程線性穩(wěn)壓電源，實(shí)現(xiàn)數(shù)控穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設(shè)計(jì),。