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德州儀器模擬高級現場應用工程師 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，能夠補償已知線纜及開關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中央控制臺 USB 充電端口的具體實例基礎之上，其主要通過位于儀表盤某處的電子設備供電。要為移動數字設備充電，USB 電流容量必須達到 2A 或以上。不過，嚴格的 USB 端口電源電壓限制通常會與使用低成本細線纜直接產生矛盾，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，附加開關等與電源線串聯的一切組件都必須考慮。Vload 會相應降低。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。 汽車中央控制臺 USB 端口充電器實例 使用汽車中央控制臺 USB 端口(圖 3)的實例，可演示補償需求。信息娛樂主機設備包含各種電子元件，位于汽車儀表盤中。USB 端口是無源實施方案，位于通過 3m 線纜連接的中央控制臺。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 USB 充電端口方框圖 圖 4 是汽車中央控制臺 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，需要 USB 充電端口控制器和電源開關。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。開關與電源線串聯，重點針對開關、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 USB 端口的等效電路 USB 端口的壓降問題 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 就不會超過 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。快速充電需要 2.1A 的電流。查看 USB 充電端口控制器與電源開關 TPS2546-Q1 的產品說明書并考慮整個溫度范圍內的最差情況，我們發現 120m 電源開關的 RDSon 會帶來 252mV 的進一步壓降。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，我們發現線纜和連接器還剩 66m。根據這一點以及針對電線可計算出的銅質電阻系數，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，這種電線的額定電流大約為 30A。 實施壓降補償 如圖 5 所示，用電流分流監測器 INA213 測量電流可實施壓降補償。電壓輸出 Vcs 通過 Rm 反饋至轉換器的反饋電阻器網絡。轉換器塊 P1 說明了控制環路非常基本的原理。反饋 FB 好比參考電壓，而 Vout 通過致動器方案調節，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。通過分流電阻器 Rs 的負載電流 Iload 的反向測量是應用的關鍵。如果在負載電流 Iload 上升時要讓 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會下降，而 Vout 則會相應上升。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 對于本應用來說，可使用 INA21x 系列中的 INA213A-Q1 (http://www.ti.com/product/ina213a-q1)。這些都是實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，雙向特性對實現輸出所需的負極特性也很重要。增加零漂移技術后，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)。這可在滿流程下實現 10mV 的分流壓降，從而可實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。對于汽車中央控制 USB 端口充電器實例來說，必須符合汽車級質量要求，該系列就支持這一點。 組件的尺寸與計算 壓降電阻的前提條件與工作點 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之間的所有電阻。也就是電線、連接器和開關等。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，空載情況下沒有壓降。這就為我們提供了第一個工作點 OP1。 OP1： 第二個工作點 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 R3 和 R4 分壓器的 Vout，可按照方程式 5 進行計算： 要充分發揮 OP1 全面線性擺幅的優勢，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 的產品說明書，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，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 INA213 (VGND)+0.05V 的產品說明書。 反饋分壓器網絡 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絡。 圖 7：反饋分壓器網絡 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： 線性系統方程式 方程式 12 目前為進一步制定線性系統方程式奠定了堅實的基礎，可通過兩個工作點(提供 OP1 和 OP2 的系統電流極值)進行定義。方程式 13 代表采用矩陣符號表示的線性系統方程式。 Vcs1 和 Vcs2 可通過方程式 4 確定。請選擇 R2 的值。最佳實踐是選擇已經存在于電源設計中的值，因為這有助于確保網絡穩定性。轉換器的反饋電壓 Vfb 可在穩壓器產品說明書中找到。這樣我們可手動或用數學工具解算線性系統方程式，結果就是 G1 和 GM 電導值。反過來，其結果就是 R1 和 RM。 結論 如果系統中的壓降電阻是恒定的，則可補償電源線壓降。電源可通過雙向高側電流分流監測器進行修改，從而可在 Iload 增加時提升 Vout。只需對現有專用電源進行少量修改即可。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) 進行仿真。此外，還提供有設計套件和評估板。 參考文獻 汽車 USB 充電端口電源開關與控制器 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 |
