O 引言

　　可調" title="可調">可調式線性穩壓器" title="線性穩壓器">線性穩壓器和開關式穩壓器都是通過手動調節電阻值來改變輸出電壓的，不僅調節精度低，而且使用不夠方便。數字電位器" title="數字電位器">數字電位器(Digital Polentiometer)亦稱數控電阻器(Digitally con-trolled Potentiometers)，可簡稱為DCP。利用數字電位器代替可凋電阻，可構成由計算機控制的可編程" title="可編程">可編程穩壓器。

　　l 可編程線性穩壓器的設計

　　1.1 三端可調式線性穩壓器的基本應用

　　三端可調式線性穩壓器屬于第二代二端線性穩壓器。它既保留了第一代三端同定式線性穩壓器7800、7900系列產品結構簡單的優點，又克服了電壓不可調整的缺點，并且在電壓穩定度上比前者提高了一個數量級。適合制作實驗室電源及多種供電方式的直流穩壓器。典型產品有LM317，其主要技術指標為U1=2～40V，Uo=1.25～37 V，IOM=1.5A。其電壓調整率SV=0.02％，負載調整率S1=O.1％。

　　LM317的基本應用電路如圖1所示。R1、R2為取樣電阻。LM317的最小負載電流，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IL=5mA時，R1=1.25V/5mA≈240Ω，此時R2可選6.8kΩ的可調電阻；

　　(2)當IL=10mA時，R1=1.25V/10mA≈120Ω。

　　R2可選3.4kΩ可調電阻。

　　調整R2時均可獲得1.25～37V的穩壓輸出。C2可濾除R2兩端的紋波，使之不能經放大后從Uo端輸出。D2為保護二極管，一旦U1發生短路故障，由D2給C2提供泄放回路，避免C2經過LM317內部放電而損壞芯片。C1能防止輸出端產生自激振蕩。當穩壓器的輸出端接大容量負載電容CL時，D1可起到保護作用，一旦穩壓器的輸入端發生短路，CL上積存的電荷便經過D1對地放電。輸出電壓的計算公式為

　　顯然，當R2=0時，Uo=1.25V；當R2/R1=28.6時，Uo=37V。該電路的缺點是輸出電壓值必須靠手動調整，不僅調整精度低，而且使用不夠方便。

　　1.2 由數字電位器和LM317構成的可編程線性穩壓器

　　1.2.1 電路設計方案

　　由數字電位器和TM317聯合構成可編程線性穩壓器時有3種電路設計方案。第一種方案是用數字電位器(DCP)來代替圖1中的R2，電路如圖2(a)所示。此時DCP就作為LM317的調整電阻，DCP工作在可調電阻器模式。設調整后的電阻值為RDCP，單片機通過改變RDCF值，即可設定穩壓器的輸出電壓。第二種方案是用RDCP同時代替R1、R2，這樣可節省一只電阻元件，其簡化電路如圖2(b)所示，其他部分與圖2(a)相同。第三種方案是將數字電位器串聯在R1、R2中間，簡化電路如圖 2(c)所示，該電路適合在小范圍內對輸出電壓進行精細調節。

　　1.2.2 設計要點及使用注意事項

　　(1)穩壓器的電壓調節范圍 在用數字電位器代替可變電阻時，線性穩壓器的調節范圍會變窄。普通數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5 V，此時Uo的調整范圍就被限制在l.25～6.25V。如果RDCP上的壓降超過5V，就必須采用高壓數字電位器，例如MAX5436～MAX5439均屬于高壓數字電位器。其最高電壓可達30V。當輸入電捱U1=+25V、R1=240Ω、RDCP=0～398kΩ時，輸出電壓Uo可在+1.25～22v范圍內變化。

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

　　為使普通數字電位器也能滿足空載穩壓特性的要求，有以下3種解決方法。

　　(1)將幾只電阻值相同的數字電位器進行并聯，以擴展工作電流，并聯后的總電阻值必須符合調整要求。此方法的缺點是需要使用多個數字電位器，會造成資源浪費。

　　(2)在LM317的輸出端接一只假負載RL。這種方法的缺點是RL與R1、RDCP并聯之后不僅會降低電源效率，還改變了調整RDCP的線性度。

　　(3)更好的方法是采用基準電壓源，經過數字電位器分壓后直接給LM317的ADJ端提供一個基準電壓UBEF。基準電壓源具有電壓穩定度高，不受環境溫度變化的影響，能通過外部元件作精細調整，獲得高準確度的電壓值、使用靈活、方便等優點。由LM336-5.0型5V基準電壓源、10kΩ數字電位器和緩沖器構成的可編程線性穩壓器電路如圖3所示。

　　設計可編程精密穩壓器時，還應考慮數字電位器滑動端電阻、阻值偏差、電阻溫度系數等因素的影響，上述誤差均可通過軟件進行修正。

　　2 可編程精密低壓差穩壓器" title="低壓差穩壓器">低壓差穩壓器的設計

　　在工業控制領域，有時需要提供一個能在小范圍內作精密調整的高效率、低壓輸出的數控線性穩壓電源。利用低壓差穩壓器(Low Dropout Regulator，LD0)，能大大提高電源轉換效率，節省電能。由DS1809和低壓差穩壓器LP2950-5.O構成可編程精密低壓差穩壓器的電路如圖4所示。DSl809屬于按鍵式64抽頭非易失性數字電位器。LP2950-5.O是美國SIPEX公司推出的低壓差穩壓器，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，如手機、無線控制系統及筆記本電腦。LP2950-5.O具有低靜態電流、低壓差等特性，在輕載時的壓差僅為50mV，輸出100mA電流時的壓差也只有380mV。

　　該可編程精密低樂差穩壓器的輸入端接6 V電池。輸出電壓Uo=+5～5.5V，調節范圍是O.5V。O.5 V被DSl809分為64份，步進量為7.8 mV。DSl809的總電阻值有10kΩ、50 kΩ和100kΩ三種規格，可供選擇。R1、R2為分壓電阻，它們與DSl809的輸出電阻RDCP一同構成分壓器。分壓器的輸出端接LP2950-5.0的反饋端(FB)，通過按鍵設定RDCP的電阻值，即可在規定范圍內精確地調節Uo值。C1為輸入端的退耦電容。C2用來濾除Uo中的交流噪聲并改善瞬態響應。當輸出端接負載時，C3為輸出端濾波電容。D1為保護二極管，當C3充滿電荷，而輸入端對地短路時，可避免C3向LP2950-5.0放電而損壞穩壓器。正常工作時，Uo經過D2對C4充電；在斷電時，利用C4兩端提供的電壓能使DSl809有足夠的時間將滑動端位置存儲下來。D2采用BAT54型(0.2 A/30V)肖特基二極管。DS1809的滑動端(RW)與高端(RH)互相短接，作可調電阻器使用。S1、S2為手動按鍵，每按下一次S1時，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。

　　輸出電壓的表達式為

　　式中：UREF為反饋端內部電壓比較器的1.235 V基準電壓。

　　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。

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

　　從式(3)和式(4)組成的聯立方程中可解出，R1=233.90kΩ，R2=66.75 kΩ。實際可選R1=220kΩ、R2=68kΩ的標稱電阻，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節范圍，例如，可設Uo=+4.5~5.5V，調節范圍為1 V，步進量為15.6mV，計算結果為R1=101.1 kΩ，R2=283 kΩ。可取標稱值Rl=100 kΩ，R2=27 kΩ。若DS1809的總阻值R=50 kΩ，要求Uo=+3.0～5.5V，調節范圍為2.5V，步進量為39mV。不難算出，R1=119.5kΩ，R2=33.6kΩ。可取標稱值R1=120kΩ，R2=33 kΩ。

　　上述公式均未考慮DSl809的滑動端電阻RW，其典型值為400 Ω。必要時可將RDCP值與RW相加，再對計算結果進行修正。操作時即使不慎將S1或S2按下，Uo只能改變很小的數值，也不會超出規定范圍。

　　3 可編程開關式穩壓器的設計

　　LM2576系列產品是美國摩托羅拉(Motorola)公司、國家半導體公司(NSC)推出的高效率大電流輸出的降壓式開關式穩壓器。LM2576系列主要包括3.3V、5 V、12 V、15 V和可調式共5種規格。最高輸入電壓為40V，最大輸出電流為3A。采用脈寬調制(PWM)控制方式，最大占空比可達98％，轉換效率可達75％～88％。它具有關斷功能，可使穩壓器進入低功耗待機模式，待機電流儀為80μA。還具有完善的保護電路，包括過電流保護及過熱保護。

　　由數字電位器和LM2576-ADJ構成可編程開關穩壓器的電路如圖5所示。現利用10kΩ數字電位器DCP來代替R2，改變RDCP值即可設定穩壓器的輸出電壓值。例如，當R2=RDCP=7.76 kΩ、R1=2.OkΩ時，Uo=6.00V。該電路的Uo可在+1.23～6V范圍內變化。

　　4 結語

　　數字電位器是采用CMOS 工藝制成的數字-模擬混合信號處理集成電路，具有使用靈活、調節精度高、無觸點、低噪聲，不易污損、抗振動、抗干擾、體積小、壽命長等顯著優點，可在許多領域取代機械式電位器，構成各種可編程線性穩壓電源，實現數控穩壓電源的優化設計。