有许多便携式应用程序通过调整DC-DC转换器的输出电压来优化电路性能。例如，许多微处理器可以在低电压下运行以节省电力，然后在高电压下运行以增加处理能力。在这些工作模式之间切换需要调整DC-DC转换器的输出电压。另一个例子是LCD显示器;随着其温度的变化，施加于其上的电压必须改变以保持正确的对比度。

通过数字控制进行的调整已被证明是执行这些和其他电压调整的最可靠的方法。可以使用手动修剪罐，但它通常很大，并且由于与手动调整相关的磨损而存在可靠性问题;此外，它不能在微处理器控制下调整。本文讨论了几种数字调节DC-DC转换器输出电压的方法，重点介绍了便携式设备。

不同的数字方法

数字调节DC-DC变换器输出电压的方法主要有三种:

• 数字-转换(DAC)

• 微调锅(数字电位器)

• 微处理器(MPU)的PWM输出

dac

DAC就是一个简单的数字控制电压源。DAC的数字接口可以是串行的，也可以是并行的。对于DAC更新速率相当低的应用(例如DC-DC电压调整)，通常使用串行接口。它们更小，串行接口只使用2到3根线，而并行接口需要8到16根线。更少的引脚产生更小的封装，因此降低了成本。

DAC需要考虑的主要规格有:

• 电源电压:便携式应用通常需要3V或5V电源。

• 电源电流:低电流延长电池寿命。

• 输出电压摆幅输出摆幅通常从0V到V(REF) (DAC的参考电压)。

• 分辨率的位数:分辨率的位数决定了DAC将有多少调整步骤。步数等于2(N)，其中“N”是DAC的分辨率位数。例如，一个6位的DAC将有2(6)或64步;而8位DAC将有2(8)或256个调整步骤。
  注意:DAC输出端的步长是输出电压摆幅除以DAC步长。例如，MAX5361是一个输出电压摆幅为4V的6位DAC，其步长为62.5mV (4V输出电压摆幅/2(6)步)。

• 误差来源有几个误差来源需要考虑:
  
  

• 满量程电压误差:对于具有<= 8位分辨率的dac，此误差通常是最大的，并且将对整个系统精度产生最大的影响。低成本设备的误差可高达±25%。然而，这个初始误差是可以校正的。校准通常在生产测试中进行，或者可以通过使用系统内ADC来补偿误差。

• 偏置电压误差:这也可能是一个很大的误差源，如果太大，可以校准出来。

• 微分非线性(DNL)通常需要DAC的输出是单调的(即，增加输入代码的增加或平坦输出变化)。这需要DNL为±1 LSB(最大值)。

• 积分非线性(INL)此规范通常足够严格，因此在这些应用程序中不重要。

• 温度系数:输出电压与温度有关。该误差源不能在生产时进行校准，除非系统在温度下进行测试，尽管如果其温度漂移足够低，可以使用板载ADC进行校准。通常情况下，温度漂移足够小，因此不会成为问题。

• 内部或外部电压基准:可提供带有内部参考的廉价设备。但是，如果有准确的系统参考(即外部参考)可用，则可以使用它来改进性能。

• 接口类型:串行或并行。由于尺寸小，需要串行接口。典型的选择是SPI 、I(2)C、SMBus 或bit-banging。位碰撞需要使用通用I/O引脚来提供DAC所需的控制。所选择的接口类型取决于系统处理器所支持的接口类型。

• 包大小越小越好。非常小的SOT或SC70封装可用。

• 易失性或非易失性设置大多数dac具有易失性输出电压设置(即，如果电源被移除，它们会忘记其输出设置)。这通常不会造成问题，因为大多数系统都有某种非易失性存储器，可以与DAC一起使用。非易失性dac也可用。这些设备在片上存储器中保留DAC寄存器设置，因此即使电源被移除，DAC也可以“记住”其输出设置。

设计示例(LCD输出电压可调)

在图1的电路中，假设希望DC-DC转换器的V(OUT)从低V(OUT(MIN))到高V(OUT(MAX))可调。

DAC最高输出电压为V(DACHIGH)。由于上面列出的误差源，在V(DACHIGH)电压上有一个公差。高电压为V(DACHIGH(MAX))，低电压为V(DACHIGH(MIN))。同样，低输出电压也有低电压和高电压限制，分别为V(DACLOW(MAX))和V(DACLOW(MIN))。

R1, R2, R3和引用都有错误，导致这些参数的MIN和MAX变量如下:R1(MAX)， R1(MIN)， R2(MAX)， R2(MIN)， R3(MAX)， R3(MIN)， V(REF(MAX))， V(REF(MIN))。

LCD的输出电压(V(OUT))可以通过以下操作来计算:

V(OUT) = V(REF) + i(1)R1

I (1) = I (2) + I (3)

i(2) = V(REF)/R2

i(3) = (V(REF) - V(DAC))/R3

将式2至式4代入式1可得:

V(出)= (REF) (1 + (R1 / R2)) + (V (REF) - V (DAC)) (R1、R3)

由式5可知，DAC电压最小时出现最大输出电压，DAC电压最大时出现最小输出电压。

为确保实现所需的输出摆幅，选择R1、R2和R3的值，使公式6和7满足:

V (OUTMAX(低))= V (REFMIN) (1 + (R1 (MIN) / R2 (MAX))) + V (V (REFMIN)——(DACMIN(高)))(R1 (MIN) / R3 (MAX))

V (OUTMIN(高))= V (REFMAX) (1 + (R1 (MAX) / R2(分钟)))+ V (V (REFMAX)——(DACMAX(低)))(R1 (MAX) / R3(分钟))

方程6指的是V(OUTMAX(LOW))，而不仅仅是V(OUTMAX)。由于公式6右侧的变量存在容差，因此最大输出电压也具有容差，并且可以从最小V(OUTMAX(LOW))变化到最大V(OUTMAX(HIGH))。为了保证在所有可能的条件下输出振荡都足够高，式6表示V(OUTMAX)可能的最低电压，即V(OUTMAX(LOW))。

类似地，在公式7中，变量都有容差，因此V(OUTMIN)可以从最小值V(OUTMIN(LOW))变化到最大值V(OUTMIN(HIGH))。为了保证在所有可能的条件下输出振荡足够低，式7表示V(OUTMIN)可能的最高电压，即V(OUTMIN(HIGH))。注意，在公式6和7中，V(OUTMAX)和V(OUTMIN)是已知值，其中V(OUTMAX)是最大期望LCD输出电压，V(OUTMIN)是最小期望输出电压。DAC的最小和最大输出电压(V(DACMIN)和V(DACMAX))可以在所使用的DAC的电特性表中找到。

未知值为R1、R2和R3。因为有三个未知数，只有两个方程，R1, R2和R3的值不止一个唯一解。选择R1-R3值的最直接方法是使用电子表格并插入电阻器的值，直到满足公式6和7。电阻值应足够大，以防止过度的功耗。一个好的起点是选择一个由DC-DC转换器制造商建议的R2值。通常，V(OUTMAX)将高于V(OUTMAX(LOW))，因为后者是使用最坏情况值计算的。使用其他极端的最坏情况值(用MIN代替MAX，用MAX代替MIN，用LOW代替等式6右侧的HIGH)会得到V(OUTMAX) - V(OUTMAX(HIGH))的另一个极端:

V (OUTMAX(高))= V (REFMAX) (1 + (R1 (MAX) / R2(分钟)))+ V (V (REFMAX)——(DACMIN(低)(R1 (MAX) / R3(分钟)))

(注:从式6到式8，将V(DACMIN(HIGH))改为V(DACMIN(LOW))，没有将“MIN”项改为“MAX”项。没有进行这种替换，因为公式6和8都指的是V(OUTMAX)，它来自V(DACMIN)。

如果V(OUTMAX(HIGH))超过LCD显示器的最大额定电压，则需要避免导致输出电压超过LCD显示器电压限制的DAC码。有关避免这些代码的方法，请参见下面的“补偿数字调整电路中的误差”。

通常，V(OUTMIN)将低于V(OUTMIN(HIGH))，因为后者是使用最坏情况值计算的。使用其他极端最坏情况值(即用MIN代替MAX，用MAX代替MIN，用HIGH代替等式7右侧的LOW)可以得到V(OUTMIN)的另一个极端，即V(OUTMIN(LOW)):

V (OUTMIN(低))= V (REFMIN) (1 + (R1 (MIN) / R2 (MAX))) + V (V (REFMIN)——(DACMAX(高)))(R1 (MIN) / R3 (MAX))

(注意:从式7到式9，将V(DACMAX(HIGH))改为V(DACMAX(LOW))，没有将“MAX”项改为“MIN”项。没有进行这种替换，因为公式7和9都指向V(OUTMIN)，它来自V(DACMAX)。

如果V(OUTMIN(LOW))对于期望的操作太低，则必须避免导致输出电压过低的DAC代码。有关避免这些代码的方法，请参见下面的“补偿数字调整电路中的误差”。

修剪锅

数字电位器是数字可调电阻。它一般被置于DC-DC变换器的反馈回路中，随着其值的变化，变换器的输出电压也随之变化。

除了DAC列出的重要规格(供电电压、供电电流、DNL、INL、接口类型、封装尺寸、易失性/非易失性设置)外，一个修饰锅还增加了以下关键规格:

• 端到端阻力:电位器电阻通常从0欧姆变化到产品数据表中“端到端电阻”规范给出的最大值。这个值通常有很大的容差(参见下面的“补偿数字调整电路中的误差”)。

• 刮水器阻力这最终决定了电位器的最低电阻值。

• 工作电压范围:加在修整器的高端、低端和雨刮器上的电压不能超过修整器的工作电压范围

• 步骤数数字电位器上的步长通常是线性的或对数的。对于LCD调整，需要线性调整。端到端电阻除以步长决定步长。例如，MAX5161NEZT是一个32步数字电位器，具有200k欧姆端到端电阻。将200k欧姆除以32步，每一步得到6.25k欧姆。

• 误差来源：
  
  

• 端到端电阻初始精度：这个误差源通常是最大的，并且对整个系统精度的影响最大。数字电位器的初始误差可达±25%。这个初始误差必须加以校正。校准通常发生在生产测试中，或者系统内ADC可以补偿它，如果有的话。参见下面的图4和图5和“补偿数字调整电路中的误差”。

• 雨刷电阻初始精度这通常规定得很松散，因为雨刷阻力通常小于一个台阶的大小。该误差源可以使用下面“补偿数字调整电路中的误差”中的方法进行补偿。

• 端对端电阻的温度漂移端到端电阻与温度有关。该误差源通常不会在生产时校准，除非系统在温度下进行测试。然而，如果系统ADC在温度上足够稳定，它可以用来补偿温度误差。虽然，温度漂移通常是足够小，所以不是一个问题。

设计实例

参考图2，并使用与DAC示例相似的命名约定，通过检查可以看出:

V(out) = V(ref) × (1 + r1 /(r2 + r3))

请注意，R3是数字电位器，其值可以从R3(HIGH)更改为R3(LOW)。与DAC一样，这些项也有最小值和最大值。这导致R3(HIGH(MIN))和R3(HIGH(MAX))，以及R3(LOW(MIN))和R3(LOW(MAX))。这些值可以从所选数字电位器的数据表中获得。

可以使用上述相同的方法计算公式6-9中所示的类似值(参见下面的公式11-14)。某些代码可以通过使用下面“补偿数字调整电路中的误差”中所示的方法来避免。

V (OUTMAX(低))= V (REFMIN)×(1 + R1(最小值)/ (R2 (MAX) + R3(低(MAX))))

V (OUTMIN(高))= V (REFMAX)×(1 + R1 (MAX) / (R2(分钟)+ R3(高(分钟))))

V (OUTMAX(高))= V (REFMAX)×(1 + R1 (MAX) / (R2(分钟)+ R3(低(分钟))))

V (OUTMIN(低))= V (REFMIN)×(1 + R1(最小值)/ (R2 (MAX) + R3(高(MAX))))

脉宽调制输出

许多微处理器都有PWM输出。这些是数字输出，其中调整输出的占空比以改变平均输出电压。通过在PWM输出端放置一个低通输出滤波器来获得“直流”电压。PWM输出的占空比是输出保持高位的时间与PWM输出周期的百分比。许多微处理器允许PWM频率和PWM占空比的选择。例如，MC68VZ328微处理器提供16位和8位PWM输出。位的数量决定了PWM输出的调整步数。8位对于DC-DC转换器电压调节绰绰绰用，提供256步PWM调节，从0%占空比到100%占空比。

PWM输出提供了最便宜的电压调节方法，因为大多数微处理器至少有一个PWM输出。虽然价格便宜(因为它们与微处理器一起)，但PWM输出在功耗方面是昂贵的，因为它们通过提供随后滤波的高频输出来产生“直流”电平。PWM输出级的高频开关比低功耗DAC或数字修整器消耗更多的功率，这两者本质上都是直流的。在图3中，PWM交流波形的滤波由R4-C1组合提供。R3用于隔离C1，使其不影响R1-R2反馈回路的交流性能。

PWM输出本质上是不准确的，因为它们的输出电压是数字电平V(OH)和V(OL)的函数。因为V(OH)和V(OL)是数字输出电压规格，它们的指定非常松散(V(OH)可以在V(OH) min和V(CC)之间的任何地方，I/O供应给微处理器;V(OL)可以是V(OL) max和GND之间的任意值。而且，由于这些数字电平通常是V(CC)的函数，它们随着处理器供电电压的变化而变化。

PWM输出的重要规格有:

• V(OH)和V(OL):它们的指定电平(或范围)以及占空比决定了PWM输出的标称输出电压(DC)。

• 占空比:范围和精度都很重要。占空比决定了输出在V(OH)和V(OL)时所占的百分比。

• PWM频率:频率很重要，因为要有用，PWM输出必须通过低通滤波器滤波。PWM频率用于计算PWM纹波的衰减(PWM输出从V(OH)到V(OL)摆动，并且用于调整DC-DC转换器输出，该交流方波必须转换为低纹波“DC”信号)。

由于V(OL)和V(OH)的规定非常宽松，因此PWM输出实际上最适合用于闭环系统，如LCD控制或音频音量控制，在这些系统中，绝对精度并不重要。在这些情况下，用户只需根据需要增加或减少电压。然而，由于PWM输出的不准确性，必须进行一些测量以确保PWM信号不会产生足够高的输出电压，从而对其他电路造成损坏。这种测量可以在生产测试中完成，通过测量PWM的输出电压对某些参数(温度，电源的长度等)。或者，它可以通过用ADC测量LCD输出电压来完成，并通过软件保持LCD电压在范围内(参见下面的“补偿数字调整电路中的误差”)。

设计实例

参考图3和图1，并使用与DAC示例中类似的命名约定，输出电压(V(OUT))可以通过将以下代入式5来计算:将R3替换为R3 + R4;用V(PWM) = D × V(OH) + (1 - D) × V(OL)代替V(DAC)。V(PWM)为PWM的平均输出电压，D为PWM的占空比(in %)， V(OH)为输出电压高压，V(OL)为输出低压。

V(出)= (REF) (1 + (R1 / R2)) + (V (REF) - D×V (OH) + (1 - D)×V (OL)) (R1 / (R3 + R4))

请注意，D的值可以从D(HIGH)更改为D(LOW)(通常是100%到0%，以离散增量)。占空比具有容差(尽管通常在处理器数据表中没有指定)，这导致D(HIGH(MAX))， D(HIGH(MIN))， D(LOW(MAX))和D(LOW(MIN))。数字输出电压V(OH)和V(OL)也有公差，这导致V(OH(MIN))， V(OH(MAX))， V(OL(MIN))和V(OL(MAX))。

可以计算出与式6-9相同的值(参见下文式16-19)。会导致输出电压超过最大期望电压的占空比值(类似于DAC或微调罐的数字代码)可以使用下面“补偿数字调整电路中的误差”中所示的方法来避免。

V (OUTMAX(低))= V (REFMIN) (1 + (R1 (MIN) / R2 (MAX))) + (V (REFMIN) - D(低(MAX))×V(哦(分钟))+ (1 - D(低(MAX)))×V (OL(分钟)))(R1(最小值)/ (R3 + R4) (MAX))

V (OUTMIN(高))= V (REFMAX) (1 + (R1 (MAX) / R2(分钟)))+ (V (REFMAX) - D(高(分钟))×V(哦(MAX)) + (1 - D(高(分钟)))×V (OL (MAX))) (R1 (MAX) / (R3 + R4)(分钟))

V (OUTMAX(高))= V (REFMAX) (1 + (R1 (MAX) / R2(分钟)))+ (V (REFMAX) - D(低(分钟))×V(哦(MAX)) + (1 - D(低(分钟)))×V (OL (MAX))) (R1 (MAX) / (R3 + R4)(分钟))

V (OUTMIN(低))= V (REFMIN) (1 + (R1 (MIN) / R2 (MAX))) + (V (REFMIN) - D(高(MAX))×V(哦(分钟))+ (1 - D(高(MAX)))×V (OL(分钟)))(R1(最小值)/ (R3 + R4) (MAX))

数字调整电路中的误差补偿

有两种常见的方法可以克服用于调整DC-DC转换器的数字电路的不准确性(见图4和图5)。这两种方法都涉及使用ADC测量DC-DC转换器的输出电压，并使用该测量(或测量)来补偿数字调整电路和DC-DC转换器的初始误差。

一种方法在系统板上使用ADC(图4)，而另一种方法在生产测试设备上使用ADC(图5)。每种方法都有自己的优点和缺点。

在系统板上使用ADC的好处是，在生产测试中不需要单独的步骤。此外，如果ADC在温度上是精确的，它可以补偿数字调节电路和DC-DC转换器中固有的温度漂移误差。然而，使用系统ADC要求板载ADC足够精确，并且有一个备用信道。

当在系统板上使用ADC时，有两种常用方法。第一种方法需要在每次改变输出代码时测量DC-DC转换器的输出电压。通过监视输出电压，可以避免导致输出电压超出期望范围的代码。

第二种方法需要测量DC-DC转换器的输出，通常是在首次对器件施加电源时。输出电压是用几种不同的代码测量的，允许人们确定初始误差，如偏移和满量程误差(用于ADC)，满量程电阻(用于修整锅)，或V(OH)和V(OL)(用于PWM信号)。了解了这些初始误差，就可以使用算法来避免那些可能导致输出电压超出期望范围的代码。

当使用生产测试设备测量调整电路和DC-DC变换器的误差时，应采用上述第二种补偿方法。使用生产测试设备的一个好处是，这种方法不需要系统ADC。此外，测试设备上的测量电路可能非常昂贵(并且精确，精密等)，而不会显着增加最终产品的成本，因为其成本分布在测试设备的使用寿命中，而系统板的ADC的成本则内置在每个单元中。而且，如果设备在温度下进行测试，温度误差也可以消除。但温度测试通常过于昂贵，通常不需要。

过电压问题

许多DAC的功率达到零标度，这导致V(OUT)处于最大值，如图1的应用电路所示(见公式5)。如果V(OUTMAX(HIGH))(公式8)超过LCD电源的工作电压范围，在DC-DC转换器上电之前，必须将DAC输出提高到一个不允许DC-DC转换器输出过高的值。这样做的一种方法是保持DC-DC转换器断电，直到DAC输出被调整。另一种方法是选择一个功率达到中量程的DAC，这样过电压问题就不是问题了。

同样，对于PWM，请确保其输出在LCD DC-DC转换器上电时未设置为零;这种情况会导致V(OUTMAX(HIGH))超过LCD器件的限制(见图3和式18)。

许多数字电位器的功率达到半量程，这是DC-DC变换器调节的良性状态。但是，如果上电至半刻度导致V(OUTMAX(HIGH))超过LCD器件的限制(参见图2和公式13)，则必须保持DC-DC转换器关闭，直到电位器设置为更高的值。