使用PWM得到精密的輸出電壓電路設(shè)計

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 使用PWM得到精密的輸出電壓電路設(shè)計 近年來，許多單片機生產(chǎn)廠家，如Atmel、Analog Divices、Intel、Philips、Dallas、Maxim等等，紛紛推出了新型的高速單片機。它們的指令執(zhí)行周期僅是原來的1/31/十幾，并在單片機中集成了EEPROM、WDT、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器，大大地提高了單片機的性能，方便了用戶。然而，許多單片機中的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出都采用了脈寬調(diào)制（PWM）的形式。PWM十分適用于開關(guān)電源、可控硅等器件的控制，也可使用于LCD亮度控制、音頻輸出等不需要輸出電壓的場合。由于PWM沒有基準(zhǔn)電壓，它的輸出脈沖的幅度不是

2、很恒定，這就限制了PWM的使用范圍。在要求輸出精細(xì)控制電壓的場合，如精細(xì)可調(diào)電壓源、電機變頻器等等，就無法使用PWM。 然而，只需使用2片廉價的集成電路就可以把幅度不恒定的PWM輸出轉(zhuǎn)換成精細(xì)的PWM輸出電壓。 1 電路原理 使用三端精細(xì)基準(zhǔn)電源和模擬開關(guān)得到電壓精細(xì)的PWM脈沖的電路原理如圖1所示。D1為TL431三端基準(zhǔn)電壓集成電路，U1采用單刀雙擲的模擬開關(guān)MAX4544；電阻R1、R2、R3根據(jù)具體的需要而定。當(dāng)然，也可以采用其它型號的集成電路。 當(dāng)PWM脈沖為高電平（邏輯1）時，U1的COM端擲向常閉端（NC），TL431的調(diào)整腳與正電壓腳相連，輸出電壓值為2.5 V。當(dāng)PWM脈沖為

3、低電平（邏輯0）時，U1的COM端擲向常開端（NO），TL431的輸出電壓經(jīng)過R2、R3 分壓后送到調(diào)整腳，此時輸出電壓值等于2.5 V。本例中輸出電壓等于8 V。這樣，當(dāng)U1的IN 腳輸入PWM信號時，電路相應(yīng)地輸出高電平為8 V，低電平為 2.5 V的PWM脈沖，其振幅為 8 V - 2.5 V = 5.5 V 。如果需要輸出低電平為零的PWM信號，則再加上1個差分放大器就可解決。 在對于精細(xì)度的要求不是很高的場合，可以采用更簡單的方法。圖2為使用精細(xì)穩(wěn)壓二極管對PWM脈沖開展穩(wěn)壓限幅的電路圖。在圖2中，PWM信號經(jīng)過高速運算放大器U1放大成為12 V的輸出電壓，在經(jīng)過R1的限流和D1的穩(wěn)

4、壓后，得到 6.5 V 的PWM脈沖輸出。 2 誤差分析 圖1中，只要基準(zhǔn)電源選取恰當(dāng)，基準(zhǔn)電源本身的誤差完全可以忽略。除此之外，誤差的主要有以下幾個方面： （1）模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻引起的誤差 模擬開關(guān)導(dǎo)通時有一定的導(dǎo)通電阻。TL431調(diào)整腳輸入電流通過模擬開關(guān)時就會形成電壓降，產(chǎn)生誤差。MAX4544的導(dǎo)通電阻為35 ，而TL431的調(diào)整腳輸入電流則在4 A以下。由此而導(dǎo)致基準(zhǔn)電壓的誤差小于140 V，為2.5 V的 0.000 056，相當(dāng)于二進(jìn)制14位的精度。 （2）開關(guān)延遲時間引入的誤差 開關(guān)延遲時間將會引起脈沖占空比的變化，從而導(dǎo)致PWM輸出脈沖產(chǎn)生誤差。MAX4544的導(dǎo)通時間為3

5、0 ns，關(guān)斷時間為25 ns。計算可知，當(dāng)PWM頻率為10 kHz時，由此產(chǎn)生的誤差為0.0003，相當(dāng)于12位的精度。如果PWM的頻率選得較低，則開關(guān)延遲時間的影響相應(yīng)減小。例如選取1 kHz時，引入誤差為0.000 03，相當(dāng)于15位的精度。 上述兩項中真正影響輸出電源精度的是這些參數(shù)隨溫度和時間的漂移。由于這兩項參數(shù)本身的非常小，可以推知它們的漂移更小。 從以上的分析可知，由于附加電路引入的誤差完夠滿足PWM的精度需求。 圖2電路中，引起誤差的原因主要有3個方面： （1）穩(wěn)壓二極管的動態(tài)電阻引入的誤差 穩(wěn)壓二極管的動態(tài)電阻比較大，一般在幾十左右（工作電流510 mA時）；而運算放大器的

6、驅(qū)動能力比較小，只能使穩(wěn)壓二極管工作在較小的工作電流下。另外，穩(wěn)壓二極管小電流工作時的動態(tài)電阻更大，更容易引起電壓變化。 （2）穩(wěn)壓二極管溫度漂移引入的誤差 2DW7（2DW230236）內(nèi)部構(gòu)造可以認(rèn)為是2個穩(wěn)壓二極管對接串聯(lián)而成的。其中一個二極管的正向電壓降（具有負(fù)溫度系數(shù)）對另一個穩(wěn)壓二極管的溫度漂移（具有正溫度系數(shù)）開展補償，得到很低的溫度系數(shù)。然而，當(dāng)2DW7反向應(yīng)用時，其溫度漂移就不能得到恰當(dāng)?shù)难a償，從而導(dǎo)致負(fù)脈沖部分的溫度系數(shù)較高。 （3）運算放大器引入的誤差 運算放大器的輸入失調(diào)電壓的漂移可直接導(dǎo)致脈沖振幅的誤差；而轉(zhuǎn)換速率（SR）過低，將導(dǎo)致脈沖方波波形的失真，繼而引起電壓的誤差。失調(diào)電壓溫度漂移低并且轉(zhuǎn)換速率高的運算放大器的價格將會很高。 但是，對于810位的PWM而言，該電路已經(jīng)能夠滿足要求。對于要求更低的場合，可以用2個廉價的穩(wěn)壓二極管對接來代替2DW7。 3 應(yīng)