創建可變輸出降壓穩壓器具有許多優點。本應用筆記將分享為降壓穩壓器選擇最佳元件以及驗證設計的過程。本應用筆記的類似版本最初于2019年10月1日發表在《電源系統設計》上。

介紹

可變輸出降壓穩壓器可用于各種目的，例如控制直流風扇的速度、設置 4–20mA 電流環路的電壓、跟蹤另一個電壓或用于動態電壓縮放。

圖1給出了可變輸出降壓穩壓器的典型示意圖，該穩壓器通過將數模轉換器（DAC）的輸出相加到反饋節點中而創建。DAC可以是任何電壓源。

圖1.可變輸出降壓穩壓器示例。

本應用筆記重點介紹了以下設計可變降壓的三步法：

確定設計所需的電壓范圍和合適的降壓穩壓器。

計算反饋節點的電阻網絡，如R1、R2和R3所示。

使用在線設計工具/模擬器選擇合適的組件并仿真設計。

第 1 步：電壓范圍和合適的降壓穩壓器

在大多數情況下，系統中有一個電源軌可用作降壓穩壓器的輸入。此示例使用24V，因為它是工業應用中的共軌。現在需要確定輸出電壓范圍，此時需要格外小心，因為許多降壓穩壓器的輸出電壓范圍有限，并且組件建議（如Ls和Cs）會根據所選的輸出電壓而變化。在這種類型的設計中，組件在不同輸出的整個跨度內保持不變。稍后，需要使用在線設計工具/仿真器檢查示例設計在最高和最低輸出電壓下的穩定性和階躍響應。

本例使用6V–19V的輸出電壓范圍和50mA的最大輸出電流。通常，覆蓋寬輸入和輸出電壓范圍的降壓轉換器是此類應用的理想選擇。具體而言，本例使用50mA同步降壓轉換器，輸入范圍為4V–60V，0.8V至0.9×V在輸出范圍。

對于控制電壓，我們使用DAC，但這里也可以使用另一個可變源，例如濾波脈寬調制（PWM）信號。本例使用帶有內部基準的2mm×3mm、12位電壓輸出串行DAC。DAC可采用2.7V至5.5V電源供電。

采用 3.3V 電源和內部 2.5V 基準時，DAC 的輸出可在 12 位數字控制下從 0V 至 2.5V 電壓。為了控制可變電源，本例在0V以上和2.5V以下留出一點裕量，以解決反饋電阻的失調、增益和誤差。變化輸出（6V至19V）的全范圍由0.1V至2.4V控制信號控制。如果需要校準或調整，兩端留下100mV或大約82個DAC代碼。

第 2 步：計算電阻網絡

為了計算電阻值，可以更輕松地將可變電源電路視為理想的運算放大器電路（圖 2）。在這種情況下，電源的作用類似于反相放大器，其中DAC是輸入信號（V在).The 0.8V VQEe圖中所示為內部0.8V基準，與同步降壓轉換器內部的誤差放大器配合使用。

圖2.可變電源電路作為理想的運算放大器電路。

使用此方法確定三個電阻值：

假設開關電源VOUT像理想的運算放大器一樣線性響應DAC輸入，輸入輸出關系是一條直線，公式很熟悉：

Y = mX + b

這里Y是開關穩壓器（或運算放大器）的輸出電壓，X是DAC的輸入電壓（V在).使用兩點（19V外在 0.1V 時在和 6V外在 2.4V 時在） 得到兩個方程來求解 m（增益）和 b（偏移）。

19 = m（0.1） + b 6 = m（2.4） + b

解決這個問題，我們得到 m = -5.65 和 b = 19.57。

等式的圖形類似于下面的圖 3，斜率為負，零交叉為 19.57。

圖3.輸入到輸出關系。

查看圖2中的運算放大器圖，可以使用以下運算放大器公式：

哪里

Y = X × m + b

哪里

使用 VQEe=0.8V，同步降壓上的內部基準，然后選擇R1的值。在這種情況下 261k？之所以選擇它，是因為它位于MAX17551的評估板上，MAX17551是本例中使用的同步降壓轉換器。一些代數可以用來求解m和b：

產生 R3 = 46.08k？和 R2 = 14.63k？。

選擇最接近的標準 1% 值給出 R3 = 46.4k？和 R2 = 14.7k？。這些標準值應重新插入運算放大器公式，以確保DAC輸出的低端和高端仍然有足夠的裕量。

可變降壓電阻計算器可從本產品設計計算器頁面的電源和電池管理部分下載，使這項任務更容易。

步驟 3：模擬設計

為了完成電路設計，我們使用了基于SIMPLIS的工具，該工具可用于設計電源，修改設計并檢查結果。首先進入EE-Sim網頁，選擇MAX17551;輸入所需的輸入和輸出值。本例使用標稱 24V 電源和 19V 輸出電壓。選擇最高輸出電壓（19V），以便在線工具為L1和C1選擇適當的值（圖1）。C1對穩定性至關重要，由于真實電容隨著偏置電壓的增加而降低，因此最好以預期的最高輸出電壓值開始設計。稍后，反饋電阻將更改為最低的預期輸出電壓。通過這種方法，可以在極端情況下檢查設計的穩定性。圖 4 顯示了設計工具的設計要求屏幕。

圖4.EE-Sim 設計和仿真工具中的輸入/輸出設計要求頁面。

圖5.由EE-Sim設計和仿真工具生成的原理圖。

設計工具生成電路后，可以通過雙擊元件來更改元件。例如，如果您有最喜歡的電感器供應商，請雙擊電感器L1。從那里，您可以從眾多預填充電感器中選擇一種，也可以輸入用戶定義的電感值。請注意，如果更改其中一個臨界值，例如 L1、C2 或 C3（圖 5），則可能需要重新計算設計。在本例中，僅更改了反饋電阻，它們對環路補償并不重要。

R4更改為261K以匹配評估套件，R5更改為保持19V輸出。對設計進行了交流分析和50mA負載階躍的仿真，結果如圖7和圖8所示。請注意，在交越頻率處有71°的相位裕量，負載階躍顯示出大約150mV的偏移。

圖6.輸入用戶定義的值。

圖7.295外EE-Sim 生成的波特圖。

圖8.19外由 EE-SIM 生成的加載步驟。

輸入并驗證設計的最高輸出電壓部分后，將反饋路徑中的較低電阻（圖1中的R2）更改為最低輸出電壓。在EE-Sim中命名并保存設計，并將R5更改為一個值，該值將提供最低電壓的輸出（在本例中，R5被替換為40.2k？電阻器以獲得6V輸出）。重新運行仿真，確保設計收斂并具有相位裕量和良好的階躍響應。EE-Sim允許您比較新舊設計，這使您可以快速輕松地檢查所做的更改。

圖9.19V 和 6V 設計的比較。

正如我們預期的那樣，6V設計的相位裕量現在為62°，因為放大器現在以較低的增益工作。交越頻率已從 12KHz 在 19V 時移動外在 6V 時至 37KHz外.盡管如此，仍然有足夠的相位裕量，負載階躍看起來不錯。

離線仿真引擎

現在，設計已通過仿真檢出，保存的19V設計可以下載并在離線仿真引擎上離線運行。此示例使用了 EE-Sim OASIS 仿真工具，該工具允許您更改設計或添加在線設計工具中不可用的組件。在本例中，將之前計算的三個電阻值相加，并放置一個波形發生器代替DAC。波形發生器可以針對各種波形（方波、正弦波、鋸齒波等）進行設置，并具有一些其他功能，使其能夠與模擬器配合使用。在周期性工作點（POP）分析期間延遲啟動和怠速波形發生器很有幫助。

在本例中，在仿真中選擇了60Hz正弦波來驅動0.1V至2.4V輸入。正弦波展示了同步降壓和離線仿真工具的多功能性（此外，擁有60Hz的正弦功率波可能很有用）。圖10提供了原理圖中修改的部分，圖11顯示了輸入和輸出的時域（瞬態）結果。

圖 10.反饋電阻變化和波形發生器。

圖 11.來自OASIS模擬工具的瞬態響應。

仿真表明，該設計的行為符合預期，當受到0.1V至2.4V信號激勵時，會產生13V正弦波，該正弦波在6V至19V之間變化。MAX17551可變降壓穩壓器的設計文件可供下載。

測量結果

設計和仿真工具可生成物料清單 （BOM），并可輕松購買構建原型板所需的零件。在這種情況下，MAX17551的評估板使用生成的元件進行修改。求和節點注入0.1至2.4V正弦波，400？已添加負載。結果如圖12和圖13所示，它們與模擬結果非常吻合。

圖 12.從MAX17551的改進評估板捕獲示波器。

波形示波器測量

圖 13.來自改進的評估套件的測量讀數。

總結

可變輸出降壓轉換器在許多應用中都是有益的。但是，重要的是選擇能夠覆蓋電壓范圍的正確轉換器，然后檢查設計在輸出極端值下的穩定性。現代仿真工具可以大大加快設計過程，提高成功設計的機會。

審核編輯：郭婷