若能夠精細調節電源的輸出電壓，就能夠移除電源路徑上的容差和壓降、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。本文探討調節開關模式電源（SMPS）的多種方案，并提出將帶有數字電位計的開關調節器用作反饋控制元件的解決方案，同時強調了設計問題以及解決問題的途徑。最后，提出一種采用AD5141 單通道非易失性digiPOT來解決本應用常見限制的簡單方法。

在高電流系統中，開關模式電源調節器相比線性調節器具有更高的效率，其在電流高于100 μA時的典型效率超過90%。

在低壓差（LDO）調節器中，效率取決于靜態電流（Iq）和正向壓降，靜態電流越高則效率越低，如公式1所示。

目前LDO的靜態電流相當低，因此如果Iq與ILOAD相比極小，則可以忽略。然后，LDO效率只需等于 （VOUT/VIN） × 100。LDO無法儲存大量未使用的能量，因此未輸送到負載的功率以熱量形式在LDO內部耗散。LDO效率典型值為低于83%。

由于開關調節器具有較低的損耗，因而正在逐步取代ATE、FPGA以及儀器儀表等要求高電流或動態負載應用中的線性調節器。

系統設計人員經常需要調節電源電壓，從而優化其電平或者在極端條件下對系統性能進行特性表征時迫使器件偏離標稱值。該功能通常在在線測試（ICT）期間執行，而制造商希望保證產品在標稱電源的±10%范圍內正常工作（舉例而言）。

這一步驟稱為裕量調整，即有意識地在預期范圍內改變電源電壓。此外，精細調節輸出電壓的能力使其可以補償電源路徑上的電源容差和壓降。

其他應用，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增加電壓。

SMPS工作方式與LDO類似，如圖1所示。輸出電壓與內部基準電壓相比較，其差值關聯至脈沖寬度調制器。

脈沖寬度調制器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。

控制反相放大器引腳電壓，便可調節輸出電壓。

這可以通過外部方式實現，比如使用DAC或數字電位計。某些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比較了全部三種方法的調節能力和功耗。表1. 基準分析小結——可調節SMPS

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

公式2描述了根據反饋電阻R1和R2的比值而確定的SMPS輸出電壓：

其中，VFEEDBACK是內部基準電壓。

使用數字電位計直接替換R1和R2前，需考慮一些問題。 數字電位計內部有兩個電阻串RAW和RWB。

兩串電阻互補。

其中，RAB是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2顯示了一個16抽頭數字電位計示例。

有多種方法可以克服這個問題；最常用的方法是在可變電阻模式下使用數字電位計，或者將電阻與電位計串聯。

最小化容差

由于電阻容差，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%的電阻容差，但大部分數字電位計只能達到20%的電阻容差。

這種情況下，可通過串聯/并聯電阻組合減少失配，如圖3和圖4所示；其缺點是動態范圍也會縮小。

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容差，即R2 ≥ 10 × RAB。在電位計模式下，并聯電阻必須足夠小，即 RAB/10≥R3

使用串聯-并聯組合對電位計進行線性化可能十分復雜，如圖5中的等效電路所示。

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。

增加帶寬

開關調節器工作在較高頻率下（通常高于1 MHz），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提供足夠的帶寬，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。

如果反饋網絡無法提供足夠的帶寬，則輸出電壓可能振蕩，如圖6所示。

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7所示），以便降低高頻阻抗，并最大程度地縮短振蕩時間。

更為簡單但效果不打折扣的解決方案

ADI最新的AD5141 digiPOT克服了其他數字電位計的問題。該器件的專有線性增益設置模式允許對每一個電阻串進行單獨控制，從而：

如果使能該模式，則無需外部電阻。電阻容差也可以忽略不計，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%。

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提供高達3 MHz的帶寬，如圖8所示。

結論

由于效率較高，開關模式電源調節器通常用于高電流應用中。 本文描述了數字控制輸出電壓的幾種方法。

由于在預定義輸出狀態下為系統上電具有內在優勢，因而可使用內置非易失性存儲器的數字電位計解決方案。設計人員所面臨的主要權衡取舍包括提供足夠的分辨率、精度和帶寬，以便獲得出色的性能。AD5141 digiPOT可讓設計人員實現效果不打折扣的最優解決方案。