设计目标

目标：将直流/直流输出裕度设置为标称值的 ±26%。

设计说明

此电路使用四通道缓冲电压输出 DAC 对反相直流/直流降压转换器进行裕度调节。电源裕量调节电路用于修整、调节或测试电源转换器的输出。低压降稳压器 (LDO)、直流/直流转换器或开关模式电源 (SMPS) 等可调节电源提供反馈 (FB) 引脚，该引脚与电阻分压器一起用于控制所需的输出。DAC63204W 或 DAC53204W (DACx3204W) 等精密智能 DAC 通过使用串联电阻器将电流注入分压器，从而实现对电源输出的线性控制。DACx3204 有一个通用输入 (GPI) 引脚，此引脚可使 DAC 输出在高输出电压和低输出电压之间切换。这样可在标称输出值的 ±26% 范围内切换直流/直流转换器。所有寄存器设置均使用集成的非易失性存储器 (NVM) 进行保存，即使在下电上电或复位后，也能在没有运行时软件的情况下使用器件。此电路可用于激光雷达、虚拟现实耳机和 OLED 电视等应用。

设计说明

1. DACx3204W 采用 DSBGA 封装且带有自动检测型 I2C、SPI 或 PMBus® 接口的 12 位和 10 位、四通道电压和电流输出智能 DAC 数据表建议为 VDD 引脚使用 100nF 去耦电容器，为 CAP 引脚使用 1.5µF 或更大的旁路电容器。CAP 引脚连接至内部 LDO。将这些电容器靠近器件引脚放置。
2. 如果使用了外部基准，则在 VREF 引脚与 GND 之间连接一个 100nF 电容器。在 VDD 之后斜升外部基准。如果未使用外部基准，则在 VREF 引脚与 VDD 之间连接一个上拉电阻器。此示例使用内部基准，VREF 引脚通过 10kΩ 电阻器上拉至 VDD。
3. 未连接 DAC63204W 或通过串联电阻器 R₃ 的电流为 0A 时，TPS63710 的输出电压 (V_OUT) 通过电阻器 R₁ 和 R₂ 来设置。TPS63710 在 FB 引脚使用内部 –700mV 基准电压 (V_FB) 来确定 V_OUT。当 DAC63204W 输出电压 (V_DAC) 等于 V_FB 时，流经 R₃ 的电流为 0A。DAC63204W 无法输出负电压，因此该设计假设 DAC63204W 输出始终为正，并且当 DAC63204W 处于中标度时，TPS63710 处于标称输出电压。
4. 选择 R₃，以便当 DAC63204W 设置为断电模式时 V_DAC > –0.3V。当 DAC63204W 配置为 10kΩ 至 GND 断电模式时，10kΩ 电阻会通过 R₃ 创建一个电阻分压器。在该示例中，R₃ 选择为 200kΩ，从而在处于 10kΩ 至 GND 断电模式时使 V_DAC 等于 –0.038V。当负电压连接到 V_DAC 时，请勿使用高阻态断电模式。
5. 选择流经 R₂ (I_R2) 的电流，这样流入 TPS63710 FB 引脚的偏置电流可以忽略不计。使用以下公式计算 R₂：
   ${\mathrm{R}}_2=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{F}\mathrm{B}}}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{R}2}}$

   I_R2 选为 5.2µA。TPS63701 的内部增益系数为 1/0.9，这使得有效 V_FB 为 –778mV。R₂ 的计算公式为：

   ${\mathrm{R}}_2=\frac{\left|-778\mathrm{ }\mathrm{m}\mathrm{V}\right|}{5.2\mathrm{ }\mathrm{\mu }\mathrm{A}}=150\mathrm{ }\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$
6. 当 V_DAC 处于中标度或 0.91V 时，标称 TPS63710 V_OUT 选择为 –3.45V。可以通过以下公式来计算 DAC63204W 输出提供的电流：
   ${\mathrm{I}}_{\mathrm{D}\mathrm{A}\mathrm{C}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{D}\mathrm{A}\mathrm{C}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{F}\mathrm{B}}}{{\mathrm{R}}_3}$
   ${\mathrm{I}}_{\mathrm{D}\mathrm{A}\mathrm{C}}=\frac{910\mathrm{ }\mathrm{m}\mathrm{V}+778\mathrm{ }\mathrm{m}\mathrm{V}}{200\mathrm{ }\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}\mathrm{ }=8.44\mathrm{ }\mathrm{\mu }\mathrm{A}\mathrm{ }$

   可以使用以下公式来计算 R₁，以实现期望的标称 V_OUT：

   ${\mathrm{R}}_1=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{F}\mathrm{B}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{R}2}-{\mathrm{I}}_{\mathrm{D}\mathrm{A}\mathrm{C}}}$
   ${\mathrm{R}}_1=\frac{-0.778\mathrm{ }\mathrm{V}+3.45\mathrm{ }\mathrm{V}}{5.2\mathrm{ }\mathrm{\mu }\mathrm{A)}\mathrm{ }+8.44\mathrm{ }\mathrm{\mu }\mathrm{A}}=196\mathrm{ }\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$
7. DAC63204W 通过调节 V_DAC，通过 R₁ 灌入或拉取额外电流，从而实现所需的裕度。V_DAC 的计算公式为：
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{D}\mathrm{A}\mathrm{C}}=\left({\mathrm{I}}_{\mathrm{R}2}-\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{F}\mathrm{B}}}{{\mathrm{R}}_1}\right)\times {\mathrm{R}}_3+{\mathrm{V}}_{\mathrm{F}\mathrm{B}}$

   V_DAC,MAX 和 V_DAC,MIN 配置为将 V_OUT 裕度增加 26%。V_OUT 低电平为 –4.34V，V_OUT 高电平为 –2.55V

   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{D}\mathrm{A}\mathrm{C},\mathrm{M}\mathrm{A}\mathrm{X}}=\left(-5.2\mathrm{ }\mathrm{\mu }\mathrm{A}-\frac{-4.34\mathrm{ }\mathrm{V}+0.778\mathrm{ }\mathrm{V}}{196\mathrm{ }\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}\right)\times 200\mathrm{ }\mathrm{k}\mathrm{\Omega }-0.778\mathrm{ }\mathrm{V}=1.82\mathrm{ }\mathrm{V}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{D}\mathrm{A}\mathrm{C},\mathrm{M}\mathrm{I}\mathrm{N}}=\left(-5.2\mathrm{ }\mathrm{\mu }\mathrm{A}-\frac{-2.55\mathrm{ }\mathrm{V}+0.778\mathrm{ }\mathrm{V}}{196\mathrm{ }\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}\right)\times 200\mathrm{ }\mathrm{k}\mathrm{\Omega }-0.778\mathrm{ }\mathrm{V}=0\mathrm{ }\mathrm{V}$
8. V_DAC,MAX 和 V_DAC,MIN 的 DAC 代码存储在 DAC-X-MARGIN-HIGH 和 DAC-X-MARGIN-LOW 寄存器中。V_DAC,NOM 存储在 DAC-X-DATA 寄存器中。使用以下公式计算以十进制形式编程到这些寄存器的代码：
   $\mathrm{D}\mathrm{A}\mathrm{C}\_\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{D}\mathrm{E}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{D}\mathrm{A}\mathrm{C}}\times 2^{12}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{R}\mathrm{E}\mathrm{F}}}$

   此设计使用内部 1.21V 基准，增益为 ×1.5，满量程电压为 1.82V。公式变为：

   $\mathrm{D}\mathrm{A}\mathrm{C}\_\mathrm{M}\mathrm{A}\mathrm{R}\mathrm{G}\mathrm{I}\mathrm{N}\_\mathrm{H}\mathrm{I}\mathrm{G}\mathrm{H}=\frac{1.82\mathrm{ }\mathrm{V}\times 2^{12}}{1.82\mathrm{ }\mathrm{V}}=4096\mathrm{d}$
   $\mathrm{D}\mathrm{A}\mathrm{C}\_\mathrm{D}\mathrm{A}\mathrm{T}\mathrm{A}=\frac{0.91\mathrm{ }\mathrm{V}\times 2^{12}}{1.82\mathrm{ }\mathrm{V}}=2048\mathrm{d}$
   $\mathrm{D}\mathrm{A}\mathrm{C}\_\mathrm{M}\mathrm{A}\mathrm{R}\mathrm{G}\mathrm{I}\mathrm{N}\_\mathrm{L}\mathrm{O}\mathrm{W}=\frac{0\mathrm{ }\mathrm{V}\times 2^{12}}{1.82\mathrm{ }\mathrm{V}}=0\mathrm{d}$

   12 位器件的最大输出代码为 4095，因此 V_DAC,MAX 变为 1.819V。

9. TPS63710 要求 V_IN ≥ |V_OUT|/0.7。此应用的最大 V_OUT 为 –4.34V，因此最小 V_IN 为 6.2V。此设计中使用 10V。
10. 使用具有 ×1.5 增益的 1.21V 基准和 12 位 DAC63204W，每个代码之间的 LSB 大小或步长大约为 443µV。使用尽可能低的基准电压可减小 LSB 大小，从而更大程度地提高 V_DAC,MAX 和 V_DAC,MIN 的分辨率。
11. DAC63204W 具有可编程压摆率特性。通过 DAC-X-FUNC-CONFIG 寄存器中的 CODE-STEP-X 和 SLEW-RATE-X 字段配置可编程压摆率。仅当在 DAC-X-MARGIN-HIGH 和 DAC-X-MARGIN-LOW 寄存器中存储的两个值之间切换时，才可使用可编程压摆率。

    CODE-STEP-X 定义了用于从起始代码过渡到最终输出代码的 LSB 步进数。SLEW-RATE-X 定义了每个代码步长的时间周期。压摆时间的计算公式为：

    ${\mathrm{t}}_{\mathrm{S}\mathrm{L}\mathrm{E}\mathrm{W}}=\mathrm{S}\mathrm{L}\mathrm{E}\mathrm{W}\_\mathrm{R}\mathrm{A}\mathrm{T}\mathrm{E}\times \mathrm{C}\mathrm{E}\mathrm{I}\mathrm{L}\mathrm{I}\mathrm{N}\mathrm{G}\left(\frac{\mathrm{M}\mathrm{A}\mathrm{R}\mathrm{G}\mathrm{I}\mathrm{N}\_\mathrm{H}\mathrm{I}\mathrm{G}\mathrm{H}\_\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{D}\mathrm{E}-\mathrm{M}\mathrm{A}\mathrm{R}\mathrm{G}\mathrm{I}\mathrm{N}\_\mathrm{L}\mathrm{O}\mathrm{W}\_\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{D}\mathrm{E}}{\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{D}\mathrm{E}\_\mathrm{S}\mathrm{T}\mathrm{E}\mathrm{P}}+1\right)$

    此应用使用裕度高代码 4095、裕度低代码 0、SLEW-RATE 为 1282μs/LSB，以及 CODE-STEP 为 1 LSB 来实现 5.25s 的压摆时间：

    ${\mathrm{t}}_{\mathrm{S}\mathrm{L}\mathrm{E}\mathrm{W}}=1282\mathrm{ }(\mathrm{\mu }\mathrm{s}/\mathrm{L}\mathrm{S}\mathrm{B})\times \mathrm{C}\mathrm{E}\mathrm{I}\mathrm{L}\mathrm{I}\mathrm{N}\mathrm{G}\left(\frac{4095-0}{1\mathrm{ }\mathrm{L}\mathrm{S}\mathrm{B}}+1\right)=5.25\mathrm{ }\mathrm{s}$
12. GPIO 引脚可配置为数字输入，以便通过可编程压摆率在裕度高输出和裕度低输出之间切换 DAC63204W 输出。GPIO-CONFIG 寄存器中的 GPI-EN 位使 GPIO 引脚作为输入。GPI-CH-SEL 字段选择由 GPI 控制的通道。GPI-CONFIG 字段选择 GPI 功能。将 0b1010 写入 GPI-CONFIG 字段，以配置 GPIO 引脚，从而触发高裕度或低裕度功能。
    • GPI 上的高电平将 DAC 输出设置为 V_DAC,MAX，并将 TPS63710 V_OUT 设置为低电平或 –4.34V。GPI 上的低电平将 DAC 输出设置为 V_DAC,MIN，并将 TPS63710 V_OUT 设置为高电平或 –2.55V。
13. 使用 I²C 或 SPI，根据寄存器设置部分所述的初始寄存器设置对 DAC63204W 进行编程。将初始寄存器设置保存在 NVM 中，方法是将 1 写入 COMMON-TRIGGER 寄存器的 NVM-PROG 字段。对 NVM 进行编程后，器件将在重置或下电上电之后加载具有 NVM 所存储值的所有寄存器。

设计结果

此原理图用于 DAC63204W 的以下设计结果。根据原理图上标记的测试点，在示波器上测量 V_DAC、V_OUT 和 V_FB 信号。

此图显示了在使用设计说明中讨论的设置配置 5.25s 压摆时间后，DAC63204W 输出从低电平到高电平的转换。V_DAC 输出电压从 0V 转换为 1.82V，这会导致 TPS63710 V_OUT 电压从 –2.55V 转换为 –4.34V。

此图显示了电路的启动行为。10V TPS63710 电源和 5V DAC63204W 电源同时打开。V_DAC 输出启动至 910mV 的标称电压。施加 V_FB 基准电压时，TPS63710 V_OUT 斜升至 –3.45V 的标称输出。

寄存器设置

下表显示了此应用的示例寄存器映射。此处给出的值适用于在设计说明部分作出的设计选择。

伪代码示例

下面所示为将初始寄存器值编程到 DAC63204W 的 NVM 的伪代码序列。此处给出的值适用于在设计说明部分作出的设计选择。

DAC63204W 伪代码示例

1:  //SYNTAX: WRITE <REGISTER NAME (Hex code)>, <MSB DATA>, <LSB DATA>
2:  //Set gain setting to 1.5x internal reference (1.8 V) (repeat for all channels)
3:  WRITE DAC-0-VOUT-CMP-CONFIG(0x3), 0x08, 0x00
4:  //Power-up voltage output on all channels and enable the internal reference
5:  WRITE COMMON-CONFIG(0x1F),0x12, 0x49
6:  //Configure GPI for Margin-High, Low trigger for all channels
7:  WRITE GPIO-CONFIG(0x24), 0x01, 0xF5
8:  //Set slew rate and code step (repeat for all channels)
9:  //CODE_STEP: 1 LSB, SLEW_RATE: 1282 μs/step
10: WRITE DAC-0-FUNC-CONFIG(0x06), 0x00, 0x0D
11: //Write nominal DAC code (repeat for all channels)
12: //For a 1.8-V output range, the 12-bit hex code for 0.9 V is 0x800. With 16-bit left alignment, 
13: this becomes 0x8000
14: WRITE DAC-0-DATA(0x19), 0x80, 0x00
15: //Write DAC margin high code (repeat for all channels)
16: //For a 1.8-V output range, the 12-bit hex code for 1.8 V is 0xFFF. With 16-bit left alignment, 
17: this becomes 0xFFF0
18: WRITE DAC-0-MARGIN-HIGH(0x01), 0xFF, 0xF0
19: //Write DAC margin low code (repeat for all channels)
20: //The 12-bit hex code for 0 V is 0x000. With 16-bit left alignment, this becomes 0x0000
21: WRITE DAC-0-MARGIN-LOW(0x02), 0x00, 0x00
21: //Save settings to NVM
22: WRITE COMMON-TRIGGER(0x20), 0x00, 0x02

设计中采用的器件

使用参数搜索工具查找其他可能的器件。

设计参考资料

有关 TI 综合电路库的信息，请参阅模拟工程师电路手册。

附加资源

• 德州仪器 (TI)，DAC63004WCSP 评估模块
• 德州仪器 (TI)，DAC63004WCSP-EVM 用户指南
• 德州仪器 (TI)，精密实验室 - DAC
• 德州仪器 (TI)，TPS63710EVM-811

如需 TI 工程师的直接支持，请使用 E2E 社区：

e2e.ti.com