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Preventing Voltage Fluctuations Due to Power Supply Lines 作者：Frederik Dostal，ADI 公司 當(dāng)采用降壓型穩(wěn)壓器或線(xiàn)性穩(wěn)壓器電源時(shí)，一般是將電壓調(diào)節(jié)為設(shè)定值來(lái)為負(fù)載供電。在一些應(yīng)用中 (例如，實(shí)驗(yàn)室電源或需采用較長(zhǎng)電纜連接各種元件的電子系統(tǒng))，由于互連線(xiàn)上存在各種電壓降，因此無(wú)法確保在所需位置點(diǎn)始終提供準(zhǔn)確的穩(wěn)壓電壓。控制精度取決于許多參數(shù)。一個(gè)是負(fù)載需要連續(xù)恒定電流時(shí)的直流電壓精度。另一個(gè)是生成電壓的交流精度，這取決于生成的電壓如何隨負(fù)載瞬變而變化。影響直流電壓精度的因素包括所需的基準(zhǔn)電壓 (可能是一個(gè)電阻分壓器)、誤差放大器的行為以及電源的一些其他影響因素。影響交流電壓精度的關(guān)鍵因素包括所選的功率等級(jí)、后備電容以及控制環(huán)路的架構(gòu)與設(shè)計(jì)。 然而，除了所有這些會(huì)影響生成的電源電壓精度的因素以外，還必須考慮其他影響。如果電源與所需供電的負(fù)載空間分離，則在穩(wěn)壓電壓和需要電能的位置之間將存在電壓降。該電壓降取決于穩(wěn)壓器和負(fù)載之間的電阻。它可能是帶插頭觸點(diǎn)的電纜或電路板上的較長(zhǎng)走線(xiàn)。 
圖 1.穩(wěn)壓器與相關(guān)負(fù)載之間的物理距離。 圖 1 顯示電源和負(fù)載之間存在電阻。可以通過(guò)略微提高電源生成的電壓，來(lái)補(bǔ)償該電阻上的電壓損耗。不幸的是，線(xiàn)路電阻上產(chǎn)生的電壓降取決于負(fù)載電流，即流過(guò)線(xiàn)路的電流。相較于低電流，高電流會(huì)導(dǎo)致更高的電壓降。因此，負(fù)載由精度相當(dāng)?shù)偷恼{(diào)節(jié)電壓供電，而調(diào)節(jié)電壓取決于線(xiàn)路電阻和相應(yīng)的電流。 對(duì)于這個(gè)問(wèn)題早就有了解決方案。可與實(shí)際連線(xiàn)并聯(lián)，額外增加一對(duì)連接。采用開(kāi)爾文檢測(cè)線(xiàn)測(cè)量電子負(fù)載側(cè)的電壓。在圖 1 中，這些額外的線(xiàn)路顯示為紅色。然后將這些測(cè)量值整合到電源側(cè)的電源電壓控制中。這種方式很有效，但缺點(diǎn)是需要額外的檢測(cè)引線(xiàn)。由于無(wú)需承載高電流，這類(lèi)引線(xiàn)的直徑通常非常小。然而，在連接電纜中設(shè)置測(cè)量線(xiàn)以獲得更高的電流會(huì)帶來(lái)額外的工作量和更高的成本。 無(wú)需額外的一對(duì)檢測(cè)引線(xiàn)，也可以對(duì)電源和負(fù)載之間連接線(xiàn)上的電壓降進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)于一些電纜布線(xiàn)復(fù)雜、成本高昂并且所產(chǎn)生的 EMC 干擾很容易耦合到電壓測(cè)試引線(xiàn)的應(yīng)用而言，這一點(diǎn)特別有意義。第二種方案是使用LT6110 這類(lèi)專(zhuān)用線(xiàn)路壓降補(bǔ)償 IC。將此 IC 插入電壓發(fā)生側(cè)，并測(cè)量進(jìn)入連接線(xiàn)之前的電流。然后根據(jù)測(cè)得的電流來(lái)調(diào)節(jié)電源的輸出電壓，從而能夠非常精確地調(diào)節(jié)負(fù)載側(cè)電壓，而不用考慮負(fù)載電流。
圖 2.利用 LT6110 調(diào)節(jié)電源輸出電壓，以補(bǔ)償連接線(xiàn)上的電壓降。 采用 LT6110 這類(lèi)元件，就可以根據(jù)相應(yīng)的負(fù)載電流來(lái)調(diào)節(jié)電源電壓；不過(guò)，進(jìn)行這種調(diào)節(jié)需要了解線(xiàn)路電阻相關(guān)信息。大多數(shù)應(yīng)用都會(huì)提供此信息。如果在器件的使用壽命期間，將連接線(xiàn)更換成更長(zhǎng)或更短的連接線(xiàn)，則還必須對(duì)采用 LT6110 實(shí)現(xiàn)的電壓補(bǔ)償進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。 如果在器件工作期間線(xiàn)路電阻可能會(huì)發(fā)生變化，可使用LT4180 這類(lèi)元件，在負(fù)載側(cè)具有輸入電容時(shí)，通過(guò)交流信號(hào)對(duì)連接線(xiàn)電阻進(jìn)行虛擬預(yù)測(cè)，從而為負(fù)載端提供高精度電壓。
圖 3.使用 LT4180 對(duì)線(xiàn)路進(jìn)行虛擬遠(yuǎn)程測(cè)量。 圖 3 顯示了一個(gè)采用 LT4180 的應(yīng)用，其中傳輸線(xiàn)路的電阻未知。線(xiàn)路輸入電壓根據(jù)相應(yīng)的線(xiàn)路電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。使用 LT4180，無(wú)需開(kāi)爾文檢測(cè)線(xiàn)路，只需逐步改變線(xiàn)路電流并測(cè)量相應(yīng)的電壓變化即可實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。利用測(cè)量結(jié)果確定未知線(xiàn)路中的電壓損耗。根據(jù)電壓損耗信息實(shí)現(xiàn) DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸出電壓的最佳調(diào)節(jié)。 只要負(fù)載側(cè)的節(jié)點(diǎn)具有低交流阻抗，這種測(cè)量方式就很有效。在許多應(yīng)用中都有效，因?yàn)殚L(zhǎng)連接線(xiàn)之后的負(fù)載需要一定量的能量存儲(chǔ)。由于阻抗低，可以對(duì) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，并通過(guò)測(cè)量連接線(xiàn)前側(cè)的電壓來(lái)確定線(xiàn)路電阻。 能否獲得穩(wěn)定的電源電壓不僅與電壓轉(zhuǎn)換器本身有關(guān)，而且與負(fù)載的電源線(xiàn)也有關(guān)。 結(jié)論 通過(guò)額外配置開(kāi)爾文檢測(cè)線(xiàn)可以提高所需的直流精度。除此之外，也可以使用集成電路來(lái)補(bǔ)償線(xiàn)路上的電壓降，無(wú)需開(kāi)爾文檢測(cè)線(xiàn)。如果開(kāi)爾文檢測(cè)線(xiàn)的成本太高，或者必須使用現(xiàn)有線(xiàn)路，且沒(méi)有額外的檢測(cè)線(xiàn)，這種方案會(huì)很有用。利用這些設(shè)計(jì)技巧，可以很容易實(shí)現(xiàn)更高的電壓精度。 作者簡(jiǎn)介 Frederik Dostal 曾就讀于德國(guó)埃爾蘭根大學(xué)微電子專(zhuān)業(yè)。他的工作生涯始于 2001 年，從事電源管理業(yè)務(wù)，在不同的應(yīng)用職位上一直表現(xiàn)活躍，包括在亞利桑那州鳳凰城工作了四年，致力于開(kāi)關(guān)模式電源的研發(fā)。他于 2009 年加入 Analog Devices 公司，現(xiàn)擔(dān)任 Analog Devices 公司電源管理部現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，工作地點(diǎn)位于德國(guó)慕尼黑。聯(lián)系方式：frederik.dostal@analog.com。 |
