如何針對壓降補償擴展電源

發(fā)布時(shí)間:2015-11-18 10:39    發(fā)布者:designapp
  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
                               
               
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