如何針對壓降補償擴展電源

　　德州儀器模擬高級現場(chǎng)應用工程師 Carsten Thiele 介紹如何針對壓降補償擴展電源。

　　如果現有電源設計可輕松擴展，能夠補償已知線(xiàn)纜及開(kāi)關(guān)在負載條件下的壓降，那該多好啊!本文將介紹適用于幾乎所有電源設計(其中反饋分壓器可用)的解決方案。為了幫助設計，以應用手冊的形式設定和介紹了各種計算。本文內容建立在汽車(chē)中央控制臺 USB 充電端口的具體實(shí)例基礎之上，其主要通過(guò)位于儀表盤(pán)某處的電子設備供電。要為移動(dòng)數字設備充電，USB 電流容量必須達到 2A 或以上。不過(guò)，嚴格的 USB 端口電源電壓限制通常會(huì )與使用低成本細線(xiàn)纜直接產(chǎn)生矛盾，其必須克服巨大壓降的問(wèn)題。

　　電源線(xiàn)與連接器上的壓降

　　圖 1：真正的等效電路圖

　　根據圖 1 給出的真正等效電路圖，我們可以看到系統壓降情況。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(kāi)關(guān)等與電源線(xiàn)串聯(lián)的一切組件都必須考慮。Vload 會(huì )相應降低。圖 2 就是這種特征。

　　圖 2：壓降

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

　　汽車(chē)中央控制臺 USB 端口充電器實(shí)例

　　使用汽車(chē)中央控制臺 USB 端口(圖 3)的實(shí)例，可演示補償需求。信息娛樂(lè )主機設備包含各種電子元件，位于汽車(chē)儀表盤(pán)中。USB 端口是無(wú)源實(shí)施方案，位于通過(guò) 3m 線(xiàn)纜連接的中央控制臺。要降低成本與重量，線(xiàn)纜的電線(xiàn)直徑或橫截面需要最小化。

　　圖 3：汽車(chē)中央控制臺 USB 充電端口方框圖

　　圖 4 是汽車(chē)中央控制臺 USB 充電端口的等效電路。電源保持恒定 Vout 電壓，因為反饋電阻分壓器可參考于此。為了確保適當電荷順利通過(guò)，需要 USB 充電端口控制器和電源開(kāi)關(guān)。TPS2546-Q1 (http://www.ti.com/product/tps2546-q1) 在 D+/D 線(xiàn)路上提供電氣簽名，支持各種充電方案。開(kāi)關(guān)與電源線(xiàn)串聯(lián)，重點(diǎn)針對開(kāi)關(guān)、連接器以及電線(xiàn)為不必要壓降添加的阻抗。

　　圖 4：汽車(chē)中央控制臺 USB 端口的等效電路

　　USB 端口的壓降問(wèn)題

　　根據 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(wèn)題，DC/DC 轉換器的輸出應設為最大電壓。假設誤差精度為 2%，那么最大容許額定電壓為 5.19V 就不會(huì )超過(guò) 5.25V 的最大值。根據容差可得出，最小電壓為 5.14V。我們必須考慮到以下問(wèn)題：最小 Vout 電壓 5.14V 減去最小 VBus 電壓 4.75V，意味著(zhù) 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(kāi)關(guān) TPS2546-Q1 的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)并考慮整個(gè)溫度范圍內的最差情況，我們發(fā)現 120m 電源開(kāi)關(guān)的 RDSon 會(huì )帶來(lái) 252mV 的進(jìn)一步壓降。從最初的 390mV 視窗減去之后，我們得到線(xiàn)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)現線(xiàn)纜和連接器還剩 66m。根據這一點(diǎn)以及針對電線(xiàn)可計算出的銅質(zhì)電阻系數，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(xiàn)的額定電流大約為 30A。

　　實(shí)施壓降補償

　　如圖 5 所示，用電流分流監測器 INA213 測量電流可實(shí)施壓降補償。電壓輸出 Vcs 通過(guò) Rm 反饋至轉換器的反饋電阻器網(wǎng)絡(luò )。轉換器塊 P1 說(shuō)明了控制環(huán)路非?；镜脑?。反饋 FB 好比參考電壓，而 Vout 通過(guò)致動(dòng)器方案調節，這里 FB 就是 VREF。因此，反饋電壓 FB 可視為恒定，而且等于轉換器的 VREF，其可用作所有計算的基礎。通過(guò)分流電阻器 Rs 的負載電流 Iload 的反向測量是應用的關(guān)鍵。如果在負載電流 Iload 上升時(shí)要讓 Vout 上升，那么電流分流監測器的輸出電壓 Vcs 就需要降低。在空載條件下 Vcs 是 VREF。如果負載提升，Vcs會(huì )下降，而 Vout 則會(huì )相應上升。這正是我們想要的結果。

　　圖 5：INA213 壓降補償

　　采用這種實(shí)施方案，電源特性將按照圖 6 變化。

　　圖 6：壓降補償

　　雙向電流分流監測器

　　對于本應用來(lái)說(shuō)，可使用 INA21x 系列中的 INA213A-Q1 (http://www.ti.com/product/ina213a-q1)。這些都是實(shí)施壓降補償非常適合的器件。它支持高側電流測量，提供可擴展供電電壓范圍的共模范圍。因此 V+ 可直接連接至 Vout。此外，雙向特性對實(shí)現輸出所需的負極特性也很重要。增加零漂移技術(shù)后，這些器件可提供出色的準確度，失調電壓可低至 35V(最大值，INA210)。這可在滿(mǎn)流程下實(shí)現 10mV 的分流壓降，從而可實(shí)現極低電阻的電流分流。對于不同負載電流而言，可提供各種固定的增益類(lèi)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。對于汽車(chē)中央控制 USB 端口充電器實(shí)例來(lái)說(shuō)，必須符合汽車(chē)級質(zhì)量要求，該系列就支持這一點(diǎn)。

　　組件的尺寸與計算

　　壓降電阻的前提條件與工作點(diǎn)

　　適當補償壓降的前提條件是了解壓降電阻 Rdrop。根據圖 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(xiàn)、連接器和開(kāi)關(guān)等。因此，第一步就是計算需要補償的壓降，這主要使用 Rdrop 及最大負載電流按照歐姆定律計算。

　　顯然，空載情況下沒(méi)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 可在最大系統負載下確定。

　　OP2：

　　電流傳感

　　負載電流 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 壓降補償所示，電流按負方向傳感。因此電流傳感放大器 Vcs 的電壓輸出可按方程式 4 計算：

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

　　要充分發(fā)揮 OP1 全面線(xiàn)性擺幅的優(yōu)勢，VREFcs 應設為低于電流分流監測器的上擺幅限制。根據 INA213(V+)-0.2V 的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，應相應選擇 R3 和 R4。

　　現在選擇適當的電流分流監測器可得到 GAIN，結合這一點(diǎn)，就可根據方程式 6 和 OP2 計算出分流電阻器，得出最小輸出的最大負載電流。對于 Vcs2 而言，需要考慮較低擺幅電流分流監測器的限制。請參見(jiàn) INA213 (VGND)+0.05V 的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)。

　　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算反饋分壓器網(wǎng)絡(luò )。

　　圖 7：反饋分壓器網(wǎng)絡(luò )

　　根據基爾霍夫定律：

　　在方程式 7 中代入方程式 8、9、10：

　　復位方程式 11，用電導系數替換電阻：

　　線(xiàn)性系統方程式

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

　　Vcs1 和 Vcs2 可通過(guò)方程式 4 確定。請選擇 R2 的值。最佳實(shí)踐是選擇已經(jīng)存在于電源設計中的值，因為這有助于確保網(wǎng)絡(luò )穩定性。轉換器的反饋電壓 Vfb 可在穩壓器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中找到。這樣我們可手動(dòng)或用數學(xué)工具解算線(xiàn)性系統方程式，結果就是 G1 和 GM 電導值。反過(guò)來(lái)，其結果就是 R1 和 RM。

　　結論

　　如果系統中的壓降電阻是恒定的，則可補償電源線(xiàn)壓降。電源可通過(guò)雙向高側電流分流監測器進(jìn)行修改，從而可在 Iload 增加時(shí)提升 Vout。只需對現有專(zhuān)用電源進(jìn)行少量修改即可。我們還可使用基于 SPICE 的免費模擬仿真程序 Tina-TI (http://www.ti.com/tool/tina-ti) 進(jìn)行仿真。此外，還提供有設計套件和評估板。

　　參考文獻

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

　　雙向零漂移電流分流監測器http://www.ti.com/product/ina213a-q1

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