關於數字電源，有多種定義。比較常見的有

定義一：

具有數字控制功能的電源（強調控制功能）

定義二：

透過數字介面控制的電源（強調通訊功能）

定義三：

具有數字監測功能的電源（強調監測功能）

本帖只准備討論第一種定義所述的數字電源，即具有數字控制功能的電源。這類電源也往往被稱為程控電源，意思是由程式控制的電源。有時也稱數控電源，意思當然就是數字控制的電源。

其實，D/A晶片就是一個程控電源，其輸出電壓是由輸入的數字訊號決定的。但是，D/A晶片允許輸出的電流實在太小，通常只有數mA（這其實是D/A晶片內運放允許的輸出電流），輸出電壓一般也不會超過D/A晶片的電源電壓。這樣的輸出電流和輸出電壓，一般不足以稱之為電源。

順便說一句：老式的D/A晶片是電流輸出型，不能直接輸出電壓，必須加一個運放將輸出電流轉換成電壓再輸出。後來把運放做到了D/A晶片內部，這才有了電壓輸出型D/A晶片。早期的D/A晶片是並行輸入數字訊號，後來有了序列輸入的D/A晶片，無非是將序列轉並行部分電路也做到了晶片內部。這些細節，不影響我們使用D/A晶片。

圖（01） D/A

不過，我們立即就想到：我們不能把D/A輸出的電壓加以放大麼？如果放大器允許的輸出電流比較大，就可以稱之為程控電源了。

LM1875是常用的AB類音訊功率放大晶片，輸出電壓峰值可達25V以上，輸出電流可達3A以上，最大正弦波輸出功率可達20W。類似的音訊功率放大晶片還有LM3886等。圖（02）是LM1875的典型應用電路。

圖（02） LM1875典型應用電路

LM1875低頻響應可達直流，所以能夠放大D/A晶片輸出的電壓，並供出相當大的電流給負載。

這類音訊功率放大晶片的使用相當簡單，其電壓增益可以外加兩個電阻來控制，所以與D/A晶片的聯接也相當簡單。圖（03）是D/A晶片與LM1875聯合使用構成的程控電源。

圖（03） D_A擴充套件LM1875

LM1875允許承受的最大電源電壓為60V，圖（03）中VDD到VSS建議不要超過50V。圖中R1與R2之比決定了LM1875的電壓增益。如果D/A輸出最大值為5V，我們想要LM1875最大輸出25V電壓，那麼R1/R2應該等於4（LM1875接成同相放大器，電壓增益為1+R1/R2）。

如果我們使用的D/A能夠輸出負電壓，或者我們加上一個直流電壓偏置使單向輸出的D/A輸出負電壓，那麼LM1785就可以輸出對地為負的電壓。通常，作為直流程控電源，並不需要輸出負電壓，所以這個功能是個累贅。

使用LM1875這類音訊功率放大晶片來製作程控電源，需要一個負電源VSS，絕大多數情況下這是個麻煩事。能不能不用這個負電源？

如果只要求正電壓輸出，那麼可以不用這個負電源VSS。當然，這種情況下也不能使用音訊功率放大晶片來擴充套件D/A的輸出。而要使用線性穩壓晶片。

以前，我們經常使用線性穩壓晶片來為系統供電，常用的線性穩壓晶片有LM7800系列、LM317等等。其中LM7800系列為固定輸出電壓的三端串聯穩壓晶片，LM317為可調輸出電壓的三端串聯穩壓晶片。

LM317僅有三個引出端子，分別為Input、Output和Adjust，最大允許輸入電壓多數廠家規定為40V。LM317內部功能框圖如圖（04）。

圖（04） LM317功能框圖

可以看出，LM317內部具有一個1。25V的基準電壓，有一個運算放大器，還有串聯於輸入和輸出端的功率調整管。

LM317內部的運算放大器如果工作於線性狀態，那麼兩個輸入端之間應該為“虛短”，即兩個輸入端之間電壓為零。1。25V基準電壓聯接於運放同相輸入端，而運放反相輸入端聯接到輸出端。由此可見，LM317是個負反饋放大器，單端輸出，輸入端加上了一個1。25V的偏置電壓。其內部功能是力圖使Output端比Adjust端高1。25V。其典型應用電路如圖（05）。

圖（05） LM317典型應用電路

圖（04）中，R1建議值為240Ω，這是因為Adjust端需要50uA的電流，為避免分壓電阻中電流造成的誤差，製造廠家要求R1中電流是Adjust電流的100倍。此電路輸出電壓為1。25V*（R1+R2）/R1。圖中可見，調整R2數值即可調整輸出電壓。

LM317與D/A聯接也非常簡單，如圖（05）。D/A輸出與LM317的Adjust端直接聯接即可。Adjust端所需要的50uA電流，D/A晶片都能夠提供。

圖（06） LM317數字控制應用電路

圖（05）Output端電壓調整範圍最小為1。25V（D/A輸出為零時），最大為D/A輸出電壓最大值加1。25V。這個電壓調整範圍相當小。如果需要更大的輸出電壓調整範圍，應該在D/A輸出端加一級運放構成的放大器，將D/A輸出放大到所需要的範圍。此運放使用的電源最好可以與LM317共用，這樣比較方便。

圖（07） D/A加放大的LM317數字控制應用電路

顯然，該運放應該採用“軌到軌”運放，如果不能“軌到軌”，至少要輸出可以到電源負端。圖（07）中，電阻R1和R2決定了放大倍數。

之所以能夠使用LM317構成如此簡單的程控電源，是因為LM317相當於半個LM1875。之所以說是“半個”，乃是因為LM317僅能單向輸出電流，而LM1875則可以雙向輸出電流。

此電路夠簡單，但確實是數字電源，或者叫程控電源，因為圖（07）所示電路確實是由數字控制輸出電壓的。不過，此電路也未免太簡單，沒有很大的應用價值。

不過，這樣的電路雖然簡單，因為LM317是線性穩壓，其損耗相當大。最大損耗發生在輸出電流最大，輸入電壓最大而輸出電壓最小時（壓差最大）。如果輸出電壓為1。25V，輸入電壓為37V，輸出電流1。5A，那麼LM317的功率耗散為53W。這麼大的功率耗散，需要很大的散熱器，而且效率僅為3%左右。這是很難接受的。

我們立刻會想到：既然線性功率放大效率低，我們可以採用D類功率放大器。

D類功率放大器實際上就是一個開關電源，只不過D類放大晶片是為音訊放大專門設計的，但也可以用於程控電源。

D類功率放大器有低電源電壓、小功率輸出的，例如德州儀器公司生產的TPA2011D1，5V電源電壓，最大音訊輸出功率3。2W，也有較高電源電壓、較大功率輸出的，例如德州儀器公司生產的TPA3001D1，18V電源電壓，最大音訊功率輸出20W。D類功率放大器模組輸出功率可達1000W，使用±110V電源。

TPA2011D1典型應用電路如圖（08），比較簡單。

圖（08） TPA2011D1典型應用電路

但是，使用D類放大器製作程控電源，比較麻煩。有些D類放大器使用單電源，但這些D類放大器都是設計成H橋輸出（上圖中TPA2011D1就是這樣）。這意味著這些D類放大器的負載與輸入電源（上圖中為VDD和GND）沒有公共端，這並不符合我們對非隔離電源的要求，我們總是需要讓負載的一端接地。

其它D類放大器，某些型號使用雙電源（正負電源），這種D類放大器允許負載接到正負電源中點，同時因為使用雙電源，負載上的電壓可正可負（如同線性功率放大器LM1875、LM3886）。不過，很少見對電源有如此要求，通常只要求電源輸出一種極性的電壓。正如前面討論D/A擴充套件LM1875時所說，輸出可正可負“這個功能是個累贅”。這些使用正負雙電源的D類放大器，通常具有兩路反相的輸出，兩路可以聯接成H橋形式以提高輸出功率，或者聯接成單端形式構成立體聲輸出。然而作為電源，我們通常只要求一路輸出，那麼另一路就只能空置。D類放大器只利用了一半，造成浪費。

D類放大器通常要求差分輸入，而D/A通常是單端輸出。所以，即使是要求輸出可正可負的雙極性電壓，也需要把D/A輸出的單端訊號轉換成差分訊號。這可以用兩個運放實現。

使用D類放大器實現單極性輸出，仍然需要使用雙電源，成本上可能不合算（大功率D類放大器晶片比較貴，輸入正負雙電源也比單電源貴，如果只要求一路輸出，D類放大器只能利用一半）。只有需要兩路共地輸出，且要求兩路均可輸出正負電壓時，使用現成的D類放大器晶片或者模組才有優勢。所以我們不再繼續介紹使用D類放大器製作數字電源的電路。各位若有興趣，我們再繼續探討。

下面我們討論使用普通的非隔離開關穩壓晶片製作程控電源。

我們常使用開關穩壓晶片來為系統供電，典型的開關穩壓晶片有LM2576、LM2596等非隔離降壓式開關穩壓晶片。這些是比較老的型號，當前德州儀器等廠家又推出了很多新型號，整合度更高，功能更齊全。

圖（09）是LM2576功能框圖。

圖（09） LM2576功能框圖

由圖（09）可見，LM2576是一種非隔離降壓式開關電路（也稱Buck電路）。其輸出端必須接有續流二極體D1（比較新型的Buck晶片已經把續流管做到晶片內部，並且採用同步方式控制電感的續流），輸出的脈衝經電感L1和電容Cout濾波後才能夠得到直流輸出。LM2576經濾波後輸出的直流電壓Vout聯接到晶片的FEEDBACK端，由FEEDBACK端經內部電阻R2和R1分壓後與1。25V基準電壓進行比較和放大，再控制PWM發生電路產生PWM波，控制輸出功率管輸出PWM脈衝。所以，整個LM2576包括電感L1和電容Cout就是一個負反饋放大器。

LM2596功能框圖與LM2576完全相同。以後我們也常用LM2596來舉例。

圖（10）就是使用LM2596-ADJ來擴充套件D/A的電路。

從圖（09）中我們知道，LM2576或者LM2596有多種版本，有輸出5V的，有輸出12V的，有輸出15V的，也有輸出電壓可調整的。這幾種版本不同之處僅在於FEED-BACK端內部電阻R1和R2數值不同。

我們使用LM2576或者LM2596來製作程控電源，顯然應該使用ADJ版本的晶片，控制訊號應該從FEED-BACK引腳輸入。

由圖（04）可知，LM317輸出端在晶片內部已經聯接到片內運算放大器的反相輸入端，形成了反饋環路。但LM2596如圖（09）所示卻並非如此。輸出端並未聯接到晶片內部運算放大器，而是透過FEED-BACK聯接到片內運算放大器的同相輸入端，與此同時，片內1。23V基準聯接到了片內運算放大器的反相輸入端。

在圖（06）和圖（07）中，D/A輸出或者經放大後的D/A輸出與LM317片內基準疊加，作為片內運算放大器的輸入。但在使用LM2596情況下卻不能這麼辦。因為LM2596片內1。23V基準已經接地，片內運放的反相輸入端也已經接到了基準電壓上。我們需要將LM2596輸出電壓與D/A輸出（也就是我們給出的調整值）之差送到FEED-BACK端。換句話說，我們必須做一次減法。做這個減法，當然需要使用一個運放來完成。

圖（10）就是使用D/A，再用一個運放做減法控制LM2596-ADJ輸出電壓的電路。

圖（10） D_A擴充套件LM2596-ADJ

在圖（09）中可以看出：LM2596-ADJ內部運放（標註FIXED GAIN ERROR ANP）工作於線性放大狀態，所以其同相輸入端與反相輸入端之間“虛短”，即FEED-BACK端必定對地是1。23V。圖（10）中可以看出：運放Amp構成減法電路，輸出端電壓OUT經電阻R4和R3分壓後得到的Uo減去D/A輸出接到FEED-BACK端，我們用（D/A）表示數-模轉換晶片輸出電壓，於是我們有：

Uo（R1/R2+1）－（D/A）（R1/R2）＝1。23V

移項後

Uo（R1/R2+1）＝（D/A）（R1/R2）+1。23V

所以

Uo＝（D/A）［R1/（R1＋R2）］＋1。23V［R2/（R1＋R2）］

注意Uo不是輸出電壓OUT，OUT經電阻R3和R4分壓後才是Uo。

所以，D/A輸出為零時，LM2596-ADJ輸出分壓後Uo＝1。23V［R2/（R1＋R2）］，而OUT端電壓是Uo除以R3和R4的分壓比，即OUT＝Uo/［R4/（R3＋R4）］。

該電路中運放Amp最好採用輸入電源電壓VDD為正電源，這樣電源供給比較簡單。當然，必須Amp能夠承受此電源電壓才行。運放Amp最好採用軌到軌運放，至少採用輸入共模電壓允許到電源負端的運放，例如LM358。

電阻R1和R2之比決定了運放Amp構成的減法器的電壓增益。此電壓增益一定要很小才行，而且儘量不造成附加相移。因為Amp構成的減法器是整個大環路的一部分，該減法器增益高了，有可能造成大環路反饋的不穩定，甚至產生振盪，這是我們絕對不希望看到的。同樣，Amp構成的減法器帶來的附加相移也可能造成大環路反饋的不穩定。所以，R1和R2之比最好為1，即R1＝R2。R1和R2可以用數千歐。由前述Uo表示式，在R1＝R2且D/A輸出為零時，Uo＝0。615V，即1。23V的一半。

當然，類似電路也可以用於非隔離升壓電路（Boost電路）晶片和非隔離極性反轉電路（Buck-Boost電路）晶片。

開關電源環路穩定性是個比較複雜的問題，尤其圖（10）中濾波電感L和電容C2甚至負載都是環路的一部分，其相移會影響環路總相移，造成穩定性問題。LM2596的手冊中給出了不同輸入電壓和不同負載下電感數值，如圖（11）。

圖（11） 建議電感量

我們按照圖（10）製作程控電源時，除了按照圖（11）根據負載電流選擇電感量之外，仍然可能遇到環路穩定性問題。在負載可能變化情況下，首先我們應該選擇儘可能大的電感量，比圖（11）中推薦的電感量更大，同時採用儘量大一些的Cout。若是使用了儘可能大的電感量後，你的程控開關電源仍然發生自激振盪，不妨在圖（10）的R4兩端並聯一個夠大的電容（更好的辦法是與R4並聯一個電容電阻串聯支路），即可避免自激振盪。但這樣會使程控開關電源響應變慢，即D/A輸出變化了，而OUT端電壓變化沒有D/A輸出變化那麼快，而是比較緩慢地變化。當然，這是我們不希望的結果。但為了避免自激振盪，這是不得不付出的代價。至於更好的避免自激振盪的相位補償方法，牽涉到反饋環路穩定性的計算分析，比較複雜，此處不再敘述。

以上我們介紹了最簡單的具有數字控制的非隔離電源，其中數字訊號僅控制一個D/A，此D/A輸出作為一個現成電源的電壓基準。