如何针对压降补偿扩展电源

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如果现有电源设计可轻松扩展，能够补偿已知线缆及开关在负载条件下的压降，那该多好啊！本文将介绍适用于几乎所有电源设计（其中反馈分压器可用）的解决方案。为了帮助设计，以应用手册的形式设定和介绍了各种计算。本文内容建立在汽车中央控制台USB充电端口的具体实例基础之上，其主要通过位于仪表盘某处的电子设备供电。要为移动数字设备充电，USB电流容量必须达到2A或以上。不过，严格的USB端口电源电压限制通常会与使用低成本细线缆直接产生矛盾，其必须克服巨大压降的问题。
       
        电源线与连接器上的压降

       
       
        图1：真正的等效电路图

         
        根据图1给出的真正等效电路图，我们可以看到系统压降情况。电压Vload取决于电流Iload、电路电阻Rwire和连接器电阻Rcon.从根本上讲，附加开关等与电源线串联的一切组件都必须考虑。Vload会相应降低。图2就是这种特征。

       
       
        图2：压降

         
        如果Rdrop已知，而且在系统中是固定的，那么用以下方法就可修改电源，补偿压降，使Vload保持恒定。
       
        汽车中央控制台USB端口充电器实例
       
        使用汽车中央控制台USB端口（图3）的实例，可演示补偿需求。信息娱乐主机设备包含各种电子元件，位于汽车仪表盘中。USB端口是无源实施方案，位于通过3m线缆连接的中央控制台。要降低成本与重量，线缆的电线直径或横截面需要最小化。

       
       
        图3：汽车中央控制台USB充电端口方框图

         
        图4是汽车中央控制台USB充电端口的等效电路。电源保持恒定Vout电压，因为反馈电阻分压器可参考于此。为了确保适当电荷顺利通过，需要USB充电端口控制器和电源开关。TPS2546-Q1 （http://www.ti.com/product/tps2546-q1）在D+/D线路上提供电气签名，支持各种充电方案。开关与电源线串联，重点针对开关、连接器以及电线为不必要压降添加的阻抗。

       
       
        图4：汽车中央控制台USB端口的等效电路

         
        USB端口的压降问题
       
        根据USB的定义，VBus电压限制是4.75V和5.25V.要处理最大电流下的压降问题，DC/DC转换器的输出应设为最大电压。假设误差精度为2%，那么最大容许额定电压为5.19V就不会超过5.25V的最大值。根据容差可得出，最小电压为5.14V.我们必须考虑到以下问题：最小Vout电压5.14V减去最小VBus电压4.75V，意味着390mV就是我们留下的容限，这也是可接受的总体压降。快速充电需要2.1A的电流。查看USB充电端口控制器与电源开关TPS2546-Q1的产品说明书并考虑整个温度范围内的最差情况，我们发现120m电源开关的RDSon会带来252mV的进一步压降。从最初的390mV视窗减去之后，我们得到线缆和连接器的压降容限为138mV.将2.1A电流带入欧姆定律，我们发现线缆和连接器还剩66m.根据这一点以及针对电线可计算出的铜质电阻系数，我们可得出2平方毫米横截面不仅很大、成本高，而且重量也大。此外，这种电线的额定电流大约为30A.
       
        实施压降补偿
       
        如图5所示，用电流分流监测器INA213测量电流可实施压降补偿。电压输出Vcs通过Rm反馈至转换器的反馈电阻器网络。转换器块P1说明了控制环路非常基本的原理。反馈FB好比参考电压，而Vout通过致动器方案调节，这里FB就是VREF.因此，反馈电压FB可视为恒定，而且等于转换器的VREF，其可用作所有计算的基础。通过分流电阻器Rs的负载电流Iload的反向测量是应用的关键。如果在负载电流Iload上升时要让Vout上升，那么电流分流监测器的输出电压Vcs就需要降低。在空载条件下Vcs是VREF.如果负载提升，Vcs会下降，而Vout则会相应上升。这正是我们想要的结果。

       
       
        图5：INA213压降补偿

         
        采用这种实施方案，电源特性将按照图6变化。

       
       
        图6：压降补偿

         
        双向电流分流监测器
       
        对于本应用来说，可使用INA21x系列中的INA213A-Q1 （http://www.ti.com/product/ina213a-q1）。这些都是实施压降补偿非常适合的器件。它支持高侧电流测量，提供可扩展供电电压范围的共模范围。因此V+可直接连接至Vout.此外，双向特性对实现输出所需的负极特性也很重要。增加零漂移技术后，这些器件可提供出色的准确度，失调电压可低至35V（最大值，INA210）。这可在满流程下实现10mV的分流压降，从而可实现极低电阻的电流分流。对于不同负载电流而言，可提供各种固定的增益类型。静电电流不仅可低至100A（最大值），而且还采用小型SC70或THIN QFN封装。对于汽车中央控制USB端口充电器实例来说，必须符合汽车级质量要求，该系列就支持这一点。
       
        组件的尺寸与计算
       
        压降电阻的前提条件与工作点
       
        适当补偿压降的前提条件是了解压降电阻Rdrop.根据图1所示，Rdrop包括输出电压与电压必须保持恒定的连接点之间的所有电阻。也就是电线、连接器和开关等。因此，第一步就是计算需要补偿的压降，这主要使用Rdrop及最大负载电流按照欧姆定律计算。
       
       
       
        电流传感
       
        负载电流Iload可使用分流电阻器Rshunt确定，并可使用差分放大器放大。如图5 INA213压降补偿所示，电流按负方向传感。因此电流传感放大器Vcs的电压输出可按方程式4计算：
       
       
        要充分发挥OP1全面线性摆幅的优势，VREFcs应设为低于电流分流监测器的上摆幅限制。根据INA213（V+）-0.2V的产品说明书，应相应选择R3和R4.
       
        现在选择适当的电流分流监测器可得到GAIN，结合这一点，就可根据方程式6和OP2计算出分流电阻器，得出最小输出的最大负载电流。对于Vcs2而言，需要考虑较低摆幅电流分流监测器的限制。请参见INA213 （VGND）+0.05V的产品说明书。
       
        反馈分压器网络
       
        有了电流传感输出的公式，下一步就是使用以下公式计算反馈分压器网络。

       
       
        图7：反馈分压器网络

         
        根据基尔霍夫定律：
       
       
       
        线性系统方程式
       
        方程式12目前为进一步制定线性系统方程式奠定了坚实的基础，可通过两个工作点（提供OP1和OP2的系统电流极值）进行定义。方程式13代表采用矩阵符号表示的线性系统方程式。
       
        Vcs1和Vcs2可通过方程式4确定。请选择R2的值。最佳实践是选择已经存在于电源设计中的值，因为这有助于确保网络稳定性。转换器的反馈电压Vfb可在稳压器产品说明书中找到。这样我们可手动或用数学工具解算线性系统方程式，结果就是G1和GM电导值。反过来，其结果就是R1和RM.
       
        结论
       
        如果系统中的压降电阻是恒定的，则可补偿电源线压降。电源可通过双向高侧电流分流监测器进行修改，从而可在Iload增加时提升Vout.只需对现有专用电源进行少量修改即可。

李小路

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