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Digitalpotentiometer: Ausgang digital einstellen

Immer noch sind Schaltnetzteile weitgehend analog gesteuert. Doch ihre Digitalisierung - Stichwort »Digital Power« - nimmt immer weiter zu. So lässt sich die Ausgangsspannung zum Beispiel mit einem Digitalpotentiometer mit internem nichtflüchtigem Speicher digital einstellen. Zu den wesentlichen Kompromissen die Entwickler finden müssen, zählen eine genügend hohe Auflösung, hohe Genauigkeit und Bandbreite, um eine herausragende Leistungsfähigkeit zu erreichen. Auch die Verschaltung des Digitalpotentiometers ist wichtig.

Systementwickler müssen oft Versorgungsspannungen einstellen. Entweder um Pegel zu optimieren oder um die Leistungsfähigkeit des Systems unter extremen Bedingungen zu charakterisieren. Diese Funktion wird normalerweise während In-Circuit-Tests (ICT) ausgeführt, wenn ein Hersteller garantieren möchte, dass ein Produkt auch bei einer Abweichung von der Nennspannung um ±10% einwandfrei funktioniert. Bei dieser Prozedur, genannt Margining, verändert man die Versorgungsspannung absichtlich im zu erwartenden Bereich. Darüber hinaus lässt sich die Ausgangsspannung so einstellen, dass dadurch Versorgungsspannungstoleranzen und Spannungsabfällen auf der Versorgungsleitung kompensiert werden.
Andere Anwendungen wie zum Beispiel eine dynamische Spannungssteuerung für einen Mikroprozessor (Adaptive Voltage Scaling) müssen in der Lage sein, die Spannung während des laufenden Betriebs zu verändern. Dabei wird die Spannung in Stromsparbetriebsarten reduziert und in leistungsoptimierten Betriebsarten erhöht.

Bild 1: Blockschaltbild eines Schaltnetzteils Bildquelle: © Analog Devices
Bild 1: Blockschaltbild eines Schaltnetzteils

Bild 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Schaltnetzteils. Die Ausgangsspannung (Feedback) wird mit einer internen Referenz (VREF) verglichen. Die Differenz wird an den Pulsbreitenmodulator angelegt. Der Pulsbreitenmodulator vergleicht eine Spannungsrampe mit dem Verstärkerausgang und erzeugt das PWM-Signal, das die Schalter steuert, welche die Energie zur Last weiterleiten.
Die Ausgangsspannung lässt sich dann dadurch einstellen, dass man die Spannung am Pin des invertierenden Verstärkers steuert. Dies kann extern mit einem D/A-Wandler oder einem Digitalpotentiometer erfolgen. Einige Regler ermöglichen die interne Programmierung der Rückkopplungsspannung in ein internes Register über eine serielle Schnittstelle wie PMBus, I²C oder SPI. Tabelle 1 stellt alle drei Methoden hinsichtlich Einstellmöglichkeiten und Energieverbrauch einander gegenüber.

Methode  Grobeinstellung  Feineinstellung  Versorgungsspannung  typ. Stromaufnahme 
DAC mittel  hoch  Vmin <2,5 V  >100 µA 
digiPOT hoch mittel Vmin <233 V <20 µA
internes Register  hoch  gering  gering
Tabelle 1: Benchmark-Analyse der Einstellmethoden
Bild 2: Logarithmische Übertragungsfunktion für ein Digitalpotenziometer mit 16 Abgriffen (Taps) Bildquelle: © Analog Devices
Bild 2: Logarithmische Übertragungsfunktion für ein Digitalpotenziometer mit 16 Abgriffen (Taps)

Einige Digitalpotentiometer werden mit nichtflüchtigem Speicher angeboten. Somit kann die Ausgangsspannung programmiert werden. 
Gleichung (1) beschreibt die Ausgangsspannung des Schaltnetzteils, basierend auf dem Verhältnis der Feedback-Widerstände R1 und R2 (Bild 1).
(1) V subscript o u t end subscript space equal space V subscript F e e d b a c k end subscript space times space open parentheses R subscript 1 over R subscript 2 space plus space 1 close parentheses
Bevor man diese beiden Bauteile durch ein Digitalpotentiometer ersetzt, ist jedoch einiges zu beachten.
Ein Digitalpotentiometer hat intern zwei Widerstandsstränge (Strings): RAW und RWB. Beide String-Widerstände sind komplementär (Gleichung (3)), wobei RAB der End-to-End Widerstand oder Nennwert ist.
(3) R subscript 4 space equal space fraction numerator R subscript A W end subscript space times space R subscript 3 over denominator R subscript A B end subscript space plus space R subscript 3 end fraction
Tauscht man nun R1 durch RAW und R2 durch RWB, ergibt sich eine logarithmische Übertragungsfunktion. Die nichtlineare Beziehung zwischen dem digitalen Code und der Ausgangsspannung senkt die Auflösung am unteren Ende.

Bild 3: Rheostat und Serienwiderstand. Bildquelle: © Analog Devices
Bild 3: Rheostat und Serienwiderstand.

Bild 2 zeigt ein Beispiel für ein Digitalpotentiometer mit 16 Abgriffen (Taps).
Dieses Problem lässt sich auf mehrere Arten lösen. Am gebräuchlichsten ist es, das Digitalpotentiometer im Rheostat-Modus zu nutzen oder Widerstände in Reihe zum Potentiometer zu schalten.

Toleranz minimieren

Aufgrund der Widerstandstoleranz können beim Einsatz eines Digitalpotentiometers in Verbindung mit externen Widerständen Probleme mit der Anpassung entstehen. Präzisionswiderstände können Toleranzen von ±1% aufweisen, der Großteil der Digitalpotentiometer erreicht jedoch nur eine Widerstandstoleranz von ±20%.

Bild 4: Potentiometer-Modus Bildquelle: © Analog Devices
Bild 4: Potentiometer-Modus

In diesem Fall lässt sich die Fehlanpassung reduzieren, indem man eine Kombination aus Serien- und Parallelwiderständen verwendet (Bilder 3 und 4).

Bild 5: Finale Y/Δ-Transformation Bildquelle: © Analog Devices
Bild 5: Finale Y/Δ-Transformation

 Ein Nachteil dabei ist, dass sich der Dynamikbereich reduziert.
Im Rheostat-Modus muss der Serienwiderstand groß genug sein, damit sich die Toleranz des Digitalpotentiometers nur geringfügig auswirkt (R2 ≥ 10 x RAB). Im Potentiometer-Modus muss der Parallelwiderstand klein genug sein (R3 ≤ 0,1 x RAB).
Die Linearisierung des Potentiometers mit einer Serien/Parallel-Kombination kann ziemlich komplex sein, wie die äquivalente Schaltung in Bild 5 und die Gleichungen (3) bis (6) zeigen.


(4) R subscript 5 space equal space fraction numerator R subscript W B end subscript space times space R subscript 3 over denominator R subscript A B end subscript space plus space R subscript 3 end fraction

(5) R subscript 7 space equal space R subscript 1 space plus space R subscript 4

 (6) R subscript 8 space equal space R subscript 2 space plus space R subscript 5

Normalerweise hat der Feedback-Eingang eine hohe Impedanz. Somit kann der Einfluss von R6 vernachlässigt werden.

Bandbreite erhöhen

Bild 6: Diskreter Rückkopplungswiderstand (links) gegenüber Digitalpotenziometer (rechts) mit begrenzter Bandbreite. Während Ersterer einen Lastsprung exakt und schnell ausregeln kann, schwingt die Ausgangsspannung beim Digitalpotenziometer ziemlich Bildquelle: © Analog Devices
Bild 6b: Diskreter Rückkopplungswiderstand (Bild 6a) gegenüber Digitalpotenziometer (Bild 6b) mit begrenzter Bandbreite. Während Ersterer einen Lastsprung exakt und schnell ausregeln kann, schwingt die Ausgangsspannung beim Digitalpotenziometer ziemlich lange nach.

Besonders herausfordernd für Schaltnetzteile sind dynamische Lasten. Daher muss das Rückkopplungsnetzwerk genügend Bandbreite haben, um der Ausgangsspannung genau zu folgen.

Wegen der parasitären internen Schaltkapazität verhält sich das Digitalpotentiometer als Tiefpassfilter. Falls das Rückkopplungsnetzwerk keine ausreichend hohe Bandbreite hat, beginnt die Ausgangsspannung zu oszillieren (Bild 6). 

Eine einfache Möglichkeit, diese Einschränkung zu überwinden, besteht darin, einen Kondensator parallel zwischen den Ausgang und das Rückkopplungsnetz zu schalten (Bild 7). Dies reduziert die Hochfrequenz-Impedanz und minimiert die Oszillationszeit.
Das neue digiPOT-Modell »AD5141« von Analog Devices überwindet die Probleme anderer Digitalpotentiometer. Durch seine neuartige lineare Verstärkungseinstellung kann er jeden Strang-Widerstand separat und unabhängig steuern, sodass Gleichung (2) nicht mehr gilt.
(2) R subscript A W end subscript space equal space R subscript A B end subscript space minus space R subscript W B end subscript

Bild 7: Paralleler Kondensator reduziert HF-Impedanz und minimiert Oszillieren Bildquelle: © Analog Devices
Bild 7: Paralleler Kondensator reduziert HF-Impedanz und minimiert Oszillieren


Zur Aktivierung dieser Betriebsart sind keine externen Widerstände erforderlich. Die Widerstandstoleranz wird vernachlässigbar. Für den Gesamtfehler der Übertragungsfunktion ist lediglich die interne String-Fehlanpassung verantwortlich.
Diese liegt typischerweise unter ±1%.
Jeder Strang-Widerstand hat einen zugeordneten Platz im EEPROM. So kann für jeden String ein unabhängiger Wert beim Einschalten geladen werden. Ferner bietet das Bauteil bis zu 3 MHz Bandbreite für eine schnelle Rückkopplungsschleife (Bild 8).

Über den Autor:

Miguel Usach ist Applikationsingenieur in der Precision Converter Group von Analog Devices.

Bild 8: Lastsprung beim »digiPOT«-Modell »AD5141«; es ist kein Oszillieren der Ausgangsspannung zu sehen Bildquelle: © Analog Devices
Bild 8: Lastsprung beim »digiPOT«-Modell »AD5141«; es ist kein Oszillieren der Ausgangsspannung zu sehen