如何針對(duì)壓降補(bǔ)償擴(kuò)展電源

　　德州儀器模擬高級(jí)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師 Carsten Thiele 介紹如何針對(duì)壓降補(bǔ)償擴(kuò)展電源。

　　如果現(xiàn)有電源設(shè)計(jì)可輕松擴(kuò)展，能夠補(bǔ)償已知線纜及開關(guān)在負(fù)載條件下的壓降，那該多好啊!本文將介紹適用于幾乎所有電源設(shè)計(jì)(其中反饋分壓器可用)的解決方案。為了幫助設(shè)計(jì)，以應(yīng)用手冊(cè)的形式設(shè)定和介紹了各種計(jì)算。本文內(nèi)容建立在汽車中央控制臺(tái) USB 充電端口的具體實(shí)例基礎(chǔ)之上，其主要通過位于儀表盤某處的電子設(shè)備供電。要為移動(dòng)數(shù)字設(shè)備充電，USB 電流容量必須達(dá)到 2A 或以上。不過，嚴(yán)格的 USB 端口電源電壓限制通常會(huì)與使用低成本細(xì)線纜直接產(chǎn)生矛盾，其必須克服巨大壓降的問題。

　　電源線與連接器上的壓降

　　圖 1：真正的等效電路圖

　　根據(jù)圖 1 給出的真正等效電路圖，我們可以看到系統(tǒng)壓降情況。電壓 Vload 取決于電流 Iload、電路電阻 Rwire和連接器電阻 Rcon。從根本上講，附加開關(guān)等與電源線串聯(lián)的一切組件都必須考慮。Vload 會(huì)相應(yīng)降低。圖 2 就是這種特征。

　　圖 2：壓降

　　如果Rdrop已知，而且在系統(tǒng)中是固定的，那么用以下方法就可修改電源，補(bǔ)償壓降，使 Vload 保持恒定。

　　汽車中央控制臺(tái) USB 端口充電器實(shí)例

　　使用汽車中央控制臺(tái) USB 端口(圖 3)的實(shí)例，可演示補(bǔ)償需求。信息娛樂主機(jī)設(shè)備包含各種電子元件，位于汽車儀表盤中。USB 端口是無源實(shí)施方案，位于通過 3m 線纜連接的中央控制臺(tái)。要降低成本與重量，線纜的電線直徑或橫截面需要最小化。

　　圖 3：汽車中央控制臺(tái) USB 充電端口方框圖

　　圖 4 是汽車中央控制臺(tái) USB 充電端口的等效電路。電源保持恒定 Vout 電壓，因?yàn)榉答侂娮璺謮浩骺蓞⒖加诖?。為了確保適當(dāng)電荷順利通過，需要 USB 充電端口控制器和電源開關(guān)。TPS2546-Q1 (http://www.ti.com/product/tps2546-q1) 在 D+/D 線路上提供電氣簽名，支持各種充電方案。開關(guān)與電源線串聯(lián)，重點(diǎn)針對(duì)開關(guān)、連接器以及電線為不必要壓降添加的阻抗。

　　圖 4：汽車中央控制臺(tái) USB 端口的等效電路

　　USB 端口的壓降問題

　　根據(jù) USB 的定義，VBus 電壓限制是 4.75V 和 5.25V。要處理最大電流下的壓降問題，DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出應(yīng)設(shè)為最大電壓。假設(shè)誤差精度為 2%，那么最大容許額定電壓為 5.19V 就不會(huì)超過 5.25V 的最大值。根據(jù)容差可得出，最小電壓為 5.14V。我們必須考慮到以下問題：最小 Vout 電壓 5.14V 減去最小 VBus 電壓 4.75V，意味著 390mV 就是我們留下的容限，這也是可接受的總體壓降?？焖俪潆娦枰?2.1A 的電流。查看 USB 充電端口控制器與電源開關(guān) TPS2546-Q1 的產(chǎn)品說明書并考慮整個(gè)溫度范圍內(nèi)的最差情況，我們發(fā)現(xiàn) 120m 電源開關(guān)的 RDSon 會(huì)帶來 252mV 的進(jìn)一步壓降。從最初的 390mV 視窗減去之后，我們得到線纜和連接器的壓降容限為 138mV。將 2.1A 電流帶入歐姆定律，我們發(fā)現(xiàn)線纜和連接器還剩 66m。根據(jù)這一點(diǎn)以及針對(duì)電線可計(jì)算出的銅質(zhì)電阻系數(shù)，我們可得出 2 平方毫米橫截面不僅很大、成本高，而且重量也大。此外，這種電線的額定電流大約為 30A。

　　實(shí)施壓降補(bǔ)償

　　如圖 5 所示，用電流分流監(jiān)測(cè)器 INA213 測(cè)量電流可實(shí)施壓降補(bǔ)償。電壓輸出 Vcs 通過 Rm 反饋至轉(zhuǎn)換器的反饋電阻器網(wǎng)絡(luò)。轉(zhuǎn)換器塊 P1 說明了控制環(huán)路非?；镜脑怼７答?FB 好比參考電壓，而 Vout 通過致動(dòng)器方案調(diào)節(jié)，這里 FB 就是 VREF。因此，反饋電壓 FB 可視為恒定，而且等于轉(zhuǎn)換器的 VREF，其可用作所有計(jì)算的基礎(chǔ)。通過分流電阻器 Rs 的負(fù)載電流 Iload 的反向測(cè)量是應(yīng)用的關(guān)鍵。如果在負(fù)載電流 Iload 上升時(shí)要讓 Vout 上升，那么電流分流監(jiān)測(cè)器的輸出電壓 Vcs 就需要降低。在空載條件下 Vcs 是 VREF。如果負(fù)載提升，Vcs會(huì)下降，而 Vout 則會(huì)相應(yīng)上升。這正是我們想要的結(jié)果。

　　圖 5：INA213 壓降補(bǔ)償

　　采用這種實(shí)施方案，電源特性將按照?qǐng)D 6 變化。

　　圖 6：壓降補(bǔ)償

　　雙向電流分流監(jiān)測(cè)器

　　對(duì)于本應(yīng)用來說，可使用 INA21x 系列中的 INA213A-Q1 (http://www.ti.com/product/ina213a-q1)。這些都是實(shí)施壓降補(bǔ)償非常適合的器件。它支持高側(cè)電流測(cè)量，提供可擴(kuò)展供電電壓范圍的共模范圍。因此 V+ 可直接連接至 Vout。此外，雙向特性對(duì)實(shí)現(xiàn)輸出所需的負(fù)極特性也很重要。增加零漂移技術(shù)后，這些器件可提供出色的準(zhǔn)確度，失調(diào)電壓可低至 35V(最大值，INA210)。這可在滿流程下實(shí)現(xiàn) 10mV 的分流壓降，從而可實(shí)現(xiàn)極低電阻的電流分流。對(duì)于不同負(fù)載電流而言，可提供各種固定的增益類型。靜電電流不僅可低至 100A(最大值)，而且還采用小型 SC70 或 THIN QFN 封裝。對(duì)于汽車中央控制 USB 端口充電器實(shí)例來說，必須符合汽車級(jí)質(zhì)量要求，該系列就支持這一點(diǎn)。

　　組件的尺寸與計(jì)算

　　壓降電阻的前提條件與工作點(diǎn)

　　適當(dāng)補(bǔ)償壓降的前提條件是了解壓降電阻 Rdrop。根據(jù)圖 1 所示，Rdrop 包括輸出電壓與電壓必須保持恒定的連接點(diǎn)之間的所有電阻。也就是電線、連接器和開關(guān)等。因此，第一步就是計(jì)算需要補(bǔ)償?shù)膲航?，這主要使用 Rdrop 及最大負(fù)載電流按照歐姆定律計(jì)算。

　　顯然，空載情況下沒有壓降。這就為我們提供了第一個(gè)工作點(diǎn) OP1。

　　OP1：

　　第二個(gè)工作點(diǎn) OP2 可在最大系統(tǒng)負(fù)載下確定。

　　OP2：

　　電流傳感

　　負(fù)載電流 Iload 可使用分流電阻器 Rshunt 確定，并可使用差分放大器放大。如圖 5 INA213 壓降補(bǔ)償所示，電流按負(fù)方向傳感。因此電流傳感放大器 Vcs 的電壓輸出可按方程式 4 計(jì)算：

　　VREFcs 源于通過 R3 和 R4 分壓器的 Vout，可按照方程式 5 進(jìn)行計(jì)算：

　　要充分發(fā)揮 OP1 全面線性擺幅的優(yōu)勢(shì)，VREFcs 應(yīng)設(shè)為低于電流分流監(jiān)測(cè)器的上擺幅限制。根據(jù) INA213(V+)-0.2V 的產(chǎn)品說明書，應(yīng)相應(yīng)選擇 R3 和 R4。

　　現(xiàn)在選擇適當(dāng)?shù)碾娏鞣至鞅O(jiān)測(cè)器可得到 GAIN，結(jié)合這一點(diǎn)，就可根據(jù)方程式 6 和 OP2 計(jì)算出分流電阻器，得出最小輸出的最大負(fù)載電流。對(duì)于 Vcs2 而言，需要考慮較低擺幅電流分流監(jiān)測(cè)器的限制。請(qǐng)參見 INA213 (VGND)+0.05V 的產(chǎn)品說明書。

　　反饋分壓器網(wǎng)絡(luò)

　　有了電流傳感輸出的公式，下一步就是使用以下公式計(jì)算反饋分壓器網(wǎng)絡(luò)。

　　圖 7：反饋分壓器網(wǎng)絡(luò)

　　根據(jù)基爾霍夫定律：

　　在方程式 7 中代入方程式 8、9、10：

　　復(fù)位方程式 11，用電導(dǎo)系數(shù)替換電阻：

　　線性系統(tǒng)方程式

　　方程式 12 目前為進(jìn)一步制定線性系統(tǒng)方程式奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，可通過兩個(gè)工作點(diǎn)(提供 OP1 和 OP2 的系統(tǒng)電流極值)進(jìn)行定義。方程式 13 代表采用矩陣符號(hào)表示的線性系統(tǒng)方程式。

　　Vcs1 和 Vcs2 可通過方程式 4 確定。請(qǐng)選擇 R2 的值。最佳實(shí)踐是選擇已經(jīng)存在于電源設(shè)計(jì)中的值，因?yàn)檫@有助于確保網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)換器的反饋電壓 Vfb 可在穩(wěn)壓器產(chǎn)品說明書中找到。這樣我們可手動(dòng)或用數(shù)學(xué)工具解算線性系統(tǒng)方程式，結(jié)果就是 G1 和 GM 電導(dǎo)值。反過來，其結(jié)果就是 R1 和 RM。

　　結(jié)論

　　如果系統(tǒng)中的壓降電阻是恒定的，則可補(bǔ)償電源線壓降。電源可通過雙向高側(cè)電流分流監(jiān)測(cè)器進(jìn)行修改，從而可在 Iload 增加時(shí)提升 Vout。只需對(duì)現(xiàn)有專用電源進(jìn)行少量修改即可。我們還可使用基于 SPICE 的免費(fèi)模擬仿真程序 Tina-TI (http://www.ti.com/tool/tina-ti) 進(jìn)行仿真。此外，還提供有設(shè)計(jì)套件和評(píng)估板。

　　參考文獻(xiàn)

　　汽車 USB 充電端口電源開關(guān)與控制器 http://www.ti.com/product/tps2546-q1

　　雙向零漂移電流分流監(jiān)測(cè)器http://www.ti.com/product/ina213a-q1

　　基于 SPICE 的模擬仿真程序http://www.ti.com/tool/tina-ti