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Preventing Voltage Fluctuations Due to Power Supply Lines 作者：Frederik Dostal，ADI 公司 當采用降壓型穩(wěn)壓器或線性穩(wěn)壓器電源時，一般是將電壓調(diào)節(jié)為設(shè)定值來為負載供電。在一些應(yīng)用中 (例如，實驗室電源或需采用較長電纜連接各種元件的電子系統(tǒng))，由于互連線上存在各種電壓降，因此無法確保在所需位置點始終提供準確的穩(wěn)壓電壓。控制精度取決于許多參數(shù)。一個是負載需要連續(xù)恒定電流時的直流電壓精度。另一個是生成電壓的交流精度，這取決于生成的電壓如何隨負載瞬變而變化。影響直流電壓精度的因素包括所需的基準電壓 (可能是一個電阻分壓器)、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、后備電容以及控制環(huán)路的架構(gòu)與設(shè)計。 然而，除了所有這些會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)壓器和負載之間的電阻。它可能是帶插頭觸點的電纜或電路板上的較長走線。 
圖 1.穩(wěn)壓器與相關(guān)負載之間的物理距離。 圖 1 顯示電源和負載之間存在電阻。可以通過略微提高電源生成的電壓，來補償該電阻上的電壓損耗。不幸的是，線路電阻上產(chǎn)生的電壓降取決于負載電流，即流過線路的電流。相較于低電流，高電流會導致更高的電壓降。因此，負載由精度相當?shù)偷恼{(diào)節(jié)電壓供電，而調(diào)節(jié)電壓取決于線路電阻和相應(yīng)的電流。 對于這個問題早就有了解決方案。可與實際連線并聯(lián)，額外增加一對連接。采用開爾文檢測線測量電子負載側(cè)的電壓。在圖 1 中，這些額外的線路顯示為紅色。然后將這些測量值整合到電源側(cè)的電源電壓控制中。這種方式很有效，但缺點是需要額外的檢測引線。由于無需承載高電流，這類引線的直徑通常非常小。然而，在連接電纜中設(shè)置測量線以獲得更高的電流會帶來額外的工作量和更高的成本。 無需額外的一對檢測引線，也可以對電源和負載之間連接線上的電壓降進行補償。對于一些電纜布線復雜、成本高昂并且所產(chǎn)生的 EMC 干擾很容易耦合到電壓測試引線的應(yīng)用而言，這一點特別有意義。第二種方案是使用LT6110 這類專用線路壓降補償 IC。將此 IC 插入電壓發(fā)生側(cè)，并測量進入連接線之前的電流。然后根據(jù)測得的電流來調(diào)節(jié)電源的輸出電壓，從而能夠非常精確地調(diào)節(jié)負載側(cè)電壓，而不用考慮負載電流。
圖 2.利用 LT6110 調(diào)節(jié)電源輸出電壓，以補償連接線上的電壓降。 采用 LT6110 這類元件，就可以根據(jù)相應(yīng)的負載電流來調(diào)節(jié)電源電壓；不過，進行這種調(diào)節(jié)需要了解線路電阻相關(guān)信息。大多數(shù)應(yīng)用都會提供此信息。如果在器件的使用壽命期間，將連接線更換成更長或更短的連接線，則還必須對采用 LT6110 實現(xiàn)的電壓補償進行相應(yīng)調(diào)整。 如果在器件工作期間線路電阻可能會發(fā)生變化，可使用LT4180 這類元件，在負載側(cè)具有輸入電容時，通過交流信號對連接線電阻進行虛擬預(yù)測，從而為負載端提供高精度電壓。
圖 3.使用 LT4180 對線路進行虛擬遠程測量。 圖 3 顯示了一個采用 LT4180 的應(yīng)用，其中傳輸線路的電阻未知。線路輸入電壓根據(jù)相應(yīng)的線路電阻進行調(diào)節(jié)。使用 LT4180，無需開爾文檢測線路，只需逐步改變線路電流并測量相應(yīng)的電壓變化即可實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。利用測量結(jié)果確定未知線路中的電壓損耗。根據(jù)電壓損耗信息實現(xiàn) DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸出電壓的最佳調(diào)節(jié)。 只要負載側(cè)的節(jié)點具有低交流阻抗，這種測量方式就很有效。在許多應(yīng)用中都有效，因為長連接線之后的負載需要一定量的能量存儲。由于阻抗低，可以對 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電流進行調(diào)節(jié)，并通過測量連接線前側(cè)的電壓來確定線路電阻。 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)，而且與負載的電源線也有關(guān)。 結(jié)論 通過額外配置開爾文檢測線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補償線路上的電壓降，無需開爾文檢測線。如果開爾文檢測線的成本太高，或者必須使用現(xiàn)有線路，且沒有額外的檢測線，這種方案會很有用。利用這些設(shè)計技巧，可以很容易實現(xiàn)更高的電壓精度。 作者簡介 Frederik Dostal 曾就讀于德國埃爾蘭根大學微電子專業(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，致力于開關(guān)模式電源的研發(fā)。他于 2009 年加入 Analog Devices 公司，現(xiàn)擔任 Analog Devices 公司電源管理部現(xiàn)場應(yīng)用工程師，工作地點位于德國慕尼黑。聯(lián)系方式：frederik.dostal@analog.com。 |
