详解数字电源技术到底是怎么一回事？（二）-电源网

● 数字电位器的数学模型

● 数字电位器的特点

★（1）数字电位器可等效于三端可编程电阻。

★（2）互补电阻kR和（1－k）R是输入代码的函数。

★（3）数字电位器可视为能输出电阻值的一种特殊的数/模转换器。

★（4）数字电位器的输出电阻可转换成电压或电流输出。

“将模拟电源放到总线上”的设计思想

模拟电源与数字电源有很大区别。例如，数字电源带接口电路，可直接连到总线上，由DSP或单片机进行控制；而模拟电源没有接口电路，不能接到总线上。但只要给模拟电源配上数字电位器，利用数字电位器的接口将模拟电源连接到计算机总线上，即可通过计算机来控制模拟电源的参数，实现自动调节或控制，这就是“将模拟电源放到总线上”的设计思想。“将模拟电源放到总线上”的示意图如图9所示。

图中的公共汽车（bus）就相当于带数字电位器的总线接口。

4.2 可编程开关稳压器的优化设计

由数字电位器和开关稳压器构成的可编程开关稳压器（方案之一）

由数字电位器和开关稳压器构成的可编程开关稳压器（方案之二、方案之三）

多路输出式开关稳压器的设计方案

4.3 提高开关稳压器调压精度的方法

（方法之一）

图17 将X9241级联后构成8001抽头数字电位器的电路

采用串联、并联方法并配合必要的程序设计，就能大幅度提高数字电位器的分辨率。例如，使用一片四路64抽头数字电位器X9241，即可构成一个具有极高分辨率的8001抽头数字电位器，其分辨率高达（1/8000）×100％＝0.0125％。可使调压精度大大提高。

（方法之二）

DS3906为低电阻、小步长的三路64抽头非易失性数字电位器，给它配上外部电阻后能获得1Ω甚至0.1Ω的小步长。

5 精密数控基准电压源的设计

● 基准电压源是一种用来作为电压标准的高稳定度电压源。目前，它已被广泛用于数字仪表、智能仪器和测试系统中，是一种颇有发展前景的新型特种电源集成电路。

● 基准电压源的特点可概括为四个字：稳、准、简、便。

“稳”电压稳定度高，不受环境温度变化的影响；

“准”能通过外部元件（例如精密多圈电位器或精密分压电阻）作精细调整，获得高准确度的基准电压值；

“简”外围电路非常简单；

“便”使用灵活、方便。

● 在自动控制领域经常需要一种输出可调的精密数控基准电压源，用来控制执行机构的动作，要求基准电压源的步进量很小（例如0.5mV），而电压调节范围很宽（如0～2.0000V）。数控基准电压源的特点就是可通过单片机或微处理器的键盘来精确设定或调节基准电压，并且在基准电压与输入数据（即设定值）之间存在着严格的对应关系。

● 设计精密基准电压源有两种方案：

第一种方案是用数字电位器来代替电阻分压器，直接对基准电压进行调节，其缺点是受数字电位器内部抽头数量的限制（目前生产的数字电位器内部最多有1024个抽头），以及数字电位器内部电阻单元的误差及滑动端电阻的影响，调节精度还不可能达到很高；

第二种方案是采用内含基准电压源和电压转换器的高分辨率D/A转换器，再配上单片机构成精密基准电压源，其优点是电路简单，很容易满足设计要求。

5.1 D/A转换器（DAC）的选择

● 由MAX5130A与MSP430F149单片机可构成精密数控基准电压源。其输出基准电压的范围是0～4.0955V，步进量为0.5mV，总共可获得8192种不同的基准电压值。输出基准电压的温度系数为16×10 /℃。通过单片机还可对基准电压进行编程，使输出的基准电压按照一定的规律发生变化（例如从1.000V开始，每隔1分钟步进0.5mV，一直升高到2.5000V，然后逐渐减低），以满足过程控制的需要。

● MAX5130A是美国MAXIM公司生产的13位D/A转换器（简称DAC），可广泛用于工业过程控制、自动测试设备（ATE）、数字偏移量及增益调整及单片机控制系统中。

● MAX5130A内含精密带隙基准电压源及电压转换器。内部基准电压为2.5V，满量程输出为＋4.0955V，分辨力为13bit，内部电压温度系数低至3×10 /℃。

1.25V带隙基准电压首先经过缓冲放大器放大，获得2.5V基准电压；最后通过输出放大器放大，满量程时的输出电压为4.0955V（标称值，允许变化范围是4.0463～4.1447V）。利用

端可对基准电压进行微调，使之达到标称值

5.2 精密数控基准电压源的电路设计

● 整机电路由10部分组成：

①16位单片机（IC1，MSP430F149）；

②D/A转换器（IC2，MAX5130A）；

③输出缓冲器（IC3，AD8031）；

④串行静态译码驱动电路（IC4～ IC9，6片CD4094）；

⑤显示器及状态指示电路（LED1～LED9）；

⑥4×4键盘；

⑦晶振电路（JT）；

⑧上电自动复位及手动复位电路；

⑨具有下载和在线仿真功能的边界扫描（JTAG）插座；

⑩＋3.3V稳压电源。

精密数控基准电压源的电路框图

6 精密数控恒流电源的设计

6.1 设计方案

● 恒流源亦称稳流源，它能向负载提供恒定的电流。理想的恒流源，其输出电流值应绝对不发生变化。但实际的恒流源只能在一定的范围内（包括温度范围、输入电压范围、负载变化范围），保持输出电流的稳定性。换言之，此时电流变化量很小，以至于可忽略不计。

● 以AT89C51单片机为控制中心的精密数控恒流电源。

● 采用DC/DC电源变换器与线性稳压器相结合的复合式稳压电源结构，既减小了输出纹波电流，又降低了系统的功率消耗。

● 系统采用12位D/A转换器TLV5616实现输出电流的设定，采用12位A/D转换器MAX187完成输出电流的测量。单片机系统通过扫描键盘实现对输出电流值的多种步进设定，并用LED数码管同时显示输出电流设定值和实际测量值。

6.2 精密数控恒流电源的电路设计

单片机接收键盘的输入数据，将设定的电流值通过D/A转换器转换为控制电压，并将设定电流在显示器上显示；输出电流通过A/D转换器后也送入单片机，由单片机进行处理后送入显示器显示，显示器同时显示电流设定值和测量值，以便进行对比和调试。

电源主电路的设计

采用开关电源（DC/DC变换器）和线性调整晶体管相结合的结构。

电流控制电路的设计

12位D/A转换器TLV5616将设定电流值转换为给定电压，该电压经IC1b反相衰减后送到IC1（+）端，给定电压的最大值为4.096V，其中，4.000V对应于2000mA。电流源的输出电流通过0.55Ω的取样电阻产生取样电压，经RP1调节校准后也送到IC1（+）端，这两个电压的差值经过IC1比较放大后送到电子滤波器的控制端，用于调整电子滤波器的输出电压，从而实现输出电流的稳定。IC1与外围元件组成PI（比例积分）调节器。

7 结语

数字电源是21世纪正在冉冉升起的一颗“能源之星”。我们相信，数字电源及各种数控电源的广泛应用，必将取得更加丰硕的成果。