Регулируемый источник питания на основе цифрового потенциометра с кнопочным управлением

Analog Devices AD5116 ADCMP371 ADP121

Thomas Brand

Analog Dialogue

Регулируемый источник питания на основе цифрового потенциометра с кнопочным управлением

Вопрос:

Как я могу использовать цифровой потенциометр для получения регулируемого выходного напряжения?

Ответ:

Используя цифровой потенциометр с кнопочным управлением.

В этой статье описывается законченное решение, в котором с помощью цифрового потенциометра с кнопочным управлением можно легко и эффективно регулировать напряжение до 20 В. Схема представляет собой управляемый источник питания и может использоваться в различных приложениях, где требуется регулируемое выходное напряжение. На Рисунке 1 показан соответствующий импульсный стабилизатор с регулируемым выходным напряжением, в котором используются цифровой потенциометр AD5116 и компаратор ADCMP371 с двухтактным выходным каскадом. Если заменить кнопку коммутатором, напряжение можно регулировать с помощью микроконтроллера.

Высоковольтный импульсный регулятор с кнопочным управлением выходным напряжением.
Рисунок 1. Высоковольтный импульсный регулятор с кнопочным управлением выходным напряжением.

AD5116 имеет 64 позиции движка с разбросом полного сопротивления цепочки резисторов не более ±8%. Кроме того, AD5116 содержит EEPROM для хранения позиции движка, которую можно задать вручную с помощью кнопки. Эта функция полезна в приложениях, где при включении питания движок должен находиться в фиксированном стандартном положении.

Схема питается напряжением VIN, величина которого может достигать 20 В. Напряжение питания VDD для микросхем AD5116 и ADCMP371 также можно получить из VIN, например, с помощью регулятора напряжения ADP121.

Принцип работы схемы

Выходное напряжение VOUT регулируется частотой переключения цепи обратной связи. Через делитель напряжения оно подается на вход компаратора, который сравнивает его с опорным напряжением, задаваемым цифровым потенциометром. Если напряжение на выходе делителя выше, чем опорное напряжение, уровень выходного сигнала компаратора становится низким, и оба MOSFET – n-канальный Т1 и p-канальный Т2 – закрываются, вследствие чего VOUT уменьшается. Если напряжение на выходе делителя ниже опорного напряжения, уровень сигнала на выходе компаратора становится высоким, и два транзистора открываются, увеличивая VOUT. Благодаря этой функции, основанной на сравнении напряжений, транзисторы работают в режиме переключения с короткими импульсами, что снижает потери в транзисторах. Помимо выходного напряжения потенциометра на частоту коммутации влияет величина нагрузки на выходе VOUT.

По мере увеличения выходного напряжения цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), транзистор T2 выключается на более длительное время, и, соответственно, уровень выходного сигнала компаратора становится высоким. На выходе компаратора формируется серия более быстрых положительных выходных импульсов с более высокой частотой. Обратное происходит при уменьшении выходного напряжения ЦАП.

Отфильтрованное напряжение VOUT определяется выражением (1).

  (1)

где VW – выходное напряжение ЦАП на выводе движка потенциометра W.

Номинальное сопротивление 5 кОм между выводами A и B потенциометра AD5116 делится на 64 шага. В нижней части шкалы типовое сопротивление RW движка имеет значение от 45 Ом до 70 Ом. Напряжение на выходе VW относительно шины GND равно

  (2)

при этом RWB принимает значение

  (3)

где

RWB – сопротивление между движком W и GND в нижней части шкалы;
RAB – общее сопротивление потенциометра;
VA – напряжение на верхнем конце делителя напряжения, равное в данном случае VDD;
D – десятичный эквивалент двоичного кода в регистре RDAC микросхемы AD5116.

Регистр RDAC микросхемы AD5116 управляется кнопками, подключенными к выводам PD and PU. Позиция по умолчанию, например, VOUT = 0 В, устанавливающаяся при включении питания, записывается  во внутреннее EEPROM потенциометра с помощью вывода ASE.

Снижение пульсаций выходного напряжения

Для сглаживания выходного напряжения VOUT и снижения пульсаций, обусловленных переключением транзисторов T1 и T2, используется дополнительная схема фильтра (Рисунок 2). При разработке этого фильтра следует учитывать максимальную и минимальную частоту переключения и диапазон рабочих напряжений AD5116.

Схема фильтра для сглаживания выходного напряжения.
Рисунок 2. Схема фильтра для сглаживания выходного напряжения.

Частота переключения схемы, показанной на Рисунке 2, находится в диапазоне примерно от 1.8 Гц до 500 Гц. Поскольку эти частоты довольно низки, для получения необходимой частоты среза фильтра обычно требуются относительно большие значения R, L и C. Однако последовательный резистор фильтра и выходная нагрузка образуют делитель напряжения, который снижает выходное напряжение. По этой причине сопротивление резистора R следует выбирать относительно низким.

В схеме реализован простой RLC фильтр нижних частот. R и C имеют величины 50 Ом и 330 мкФ, соответственно, а индуктивность L составляет 100 нГн. Альтернативный вариант схемы может быть сконструирован с использованием широтно-импульсного модулятора (ШИМ), управляющего транзисторами, и усилителя ошибки.

Ссылка

  1. CN-0405: High Voltage Output DAC with Push-Button Control. Analog Devices, Inc., March 2017.

Материалы по теме

  1. Datasheet Analog Devices AD5116
  2. Datasheet Analog Devices ADCMP371
  3. Datasheet Analog Devices ADP121

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Design of an Adjustable Voltage Output Using a Push-Button Digital Potentiometer

JLCPCP: 2USD 2Layer 5PCBs, 5USD 4Layer 5PCBs

Купить AD5116 на РадиоЛоцман.Цены
Элитан
Россия
AD5116BCPZ80
Analog Devices
64,70 ₽
Кремний
Россия и страны СНГ
AD5116BCPZ80-RL7
по запросу
ЗУМ-СМД
Россия
AD5116BCPZ10-500R7
Analog Devices
по запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя